NÂNG CAO TÍNH CHẤT điện QUANG của MÀNG PHA tạp SILIC vô ĐỊNH HÌNH ỨNG DỤNG CHẾ tạo PIN mặt TRỜI CHUYỂN TIẾP dị THỂ

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM II-O-1.10 NÂNG CAO TÍNH CHẤT ĐIỆN QUANG CỦA MÀNG PHA TẠP SILIC VÔ ĐỊNH HÌNH ỨNG DỤNG CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI CHUYỂN TIẾP DỊ THỂ Phạm Hoài Phương, Trần Quang Trung, Phạm Đăng Khoa Khoa Vật lý - Vật lý Kỹ thuật, Trường ĐH KHTN, ĐHQG-HCM Email: phphuong@hcmus.edu.vn TÓM TẮT Nâng cao tính chất quang, điện màng pha tạp silic vô định hình đóng vai trò lớp phát cấu trúc pin mặt trời chuyển tiếp dị thể giải pháp then chốt nhằm nâng cao dòng ngắn mạch (ISC) hở mạch (VOC) hay nâng cao cao hiệu suất pin Yêu cầu kỹ thuật lớp phát cấu trúc pin phải có độ rộng vùng cấm lớn, sai hỏng bề mặt thấp độ dẫn điện cao Trong báo cáo chế tạo màng silic vô định hình pha tạp loại N phương pháp lắng đọng hóa học tăng cường plasma (PECVD) với thống số chế tạo màng như: áp suất, nhiệt độ đế, công suất plasma, nồng độ pha tạp giữ cố định mà thay đổi tỉ lệ hidro pha loãng silan (H2/SiH4+H2) từ 90% đến 97% Các tính chất đặc trưng màng như: độ rộng vùng cấm quang, chuyển cấu trúc từ vô định hình sang nano tinh thể (lượng tinh thể có màng) độ dẫn điện màng khảo sát Với thông số lắng đọng màng tối ưu vừa tìm áp dụng vào chế tạo pin mặt trời với cấu trúc chuyển tiếp phía Al/c-Si(P)/N+/lưới Al thu kết với mở (VOC) 0,48 V dòng ngắn mạch (IOC) 17 mA Từ khóa: Màng silic vô định hình, pin mặt trời chuyển tiếp dị thể, phương pháp lắng đọng hóa học tăng cường plasma (PECVD) GIỚI THIỆU Pin mặt trời chuyển tiếp dị thể silic vô định hình silic tinh thể (a-Si/c-Si) mở (VOC), dòng ngắn mạch (ISC) hiệu suất cao [1] Quá trình nghiên cứu nhằm tìm thông số tối ưu chế tạo lớp màng mỏng a-Si:H pha tạp đậm loại N, đóng vai trò lớp phát cấu trúc pin, việc làm quan trọng để nâng cao hiệu suất pin [2] Yêu cầu kỹ thuật lớp phát cấu trúc pin phải có độ rộng vùng cấm quang lớn để giảm hấp thụ photon đến, tái hợp bề mặt lớp chuyển tiếp thấp, độ bền độ dẫn điện cao (hiệu suất pha tạp cao) để thu nội lớn hay hiệu suất phân ly hạt tải cao Màng mỏng silic có cấu trúc nano (nc-Si:H) pha tạp loại N ứng cử viên thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật cho việc áp dụng làm lớp phát pin mặt trời chuyển tiếp dị thể, với phương pháp lắng đọng hóa học tăng cường plasma (PECVD) kỹ thuật pha loãng hydro dễ dàng chuyển pha cấu trúc màng từ vô định sang cấu trúc nano tinh thể nhiệt độ thấp (200 OC) với hiệu suất pha tạp cao Khi chế tạo pin nhiệt độ thấp sử dụng wafer silic mỏng, giảm chi phí lượng nên giảm giá thành [3] Trong báo cáo chế tạo màng silic vô định hình pha tạp loại N phương pháp lắng đọng hóa học tăng cường plasma (PECVD) với thống số chế tạo màng như: áp suất, nhiệt độ đế, công suất plasma, nồng độ pha tạp giữ cố định mà thay đổi tỉ lệ hidro pha loãng silan ( RH  FH FSiH  FH , FX lưu lượng khí X) từ 90% đến 97% Các tính chất đặc trưng màng như: độ rộng vùng cấm quang, chuyển cấu trúc từ vô định hình sang nano tinh thể (lượng tinh thể có màng) độ dẫn điện màng khảo sát Với thông số lắng đọng màng tối ưu vừa tìm áp dụng vào chế tạo pin mặt trời với cấu trúc chuyển tiếp phía Al/c-Si(P)/N+/lưới Al THỰC NGHIỆM Màng mỏng nc-Si:H pha tạp loại N (pha tạp Photpho) lắng đọng phương pháp PEVCD với tần số 13,56 MHz từ tiền chất silane (SiH4), khí hydro đóng vai trò khí tải (pha loãng silane) phosphine (PH3) khí pha tạp Tỉ lệ phần trăm hydro pha loãng silane, RH  FH FSiH  FH với FX lưu lượng khí, thay đổi từ 90% đến 97% thông số khác như: công suất plasma 100mW/cm2, nhiệt độ đế 200 OC, áp suất lắng đọng mbar giữ không đổi Màng mỏng lắng đọng đế thủy tinh đế silic tùy theo mục đích khảo sát Chi tiết thông số chế tạo kết thu thể rõ bảng 1, mà độ dẫn tối (  D) đo thiết bị đo đặc trưng I-V PS01 với hai điện cực phẳng song song Cr-Ni ISBN: 978-604-82-1375-6 27 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Năng lượng hoạt hóa (Ea) xác định từ phép đo độ dẫn tối theo nhiệt độ Độ rộng vùng cấm quang (Eopt) xác định phương pháp ngoại suy Tauc [4] từ phổ truyền qua đo máy đo phổ truyền qua Jasco 550 UVVis Sự chuyển pha cấu trúc màng từ vô định hình sang nano tinh thể minh chứng thông qua phổ Raman ( tương ứng với dịch đỉnh phổ từ số sóng 480 cm-1 đặc trưng cho pha vô định hình đến số sóng 516 cm-1 đặc trưng cho pha nano tinh thể) đo hệ Spex với bước sóng laser kích thích 514 nm Cuối cùng, với thông số tối ưu tìm trình khảo sát lớp điện cực phát triển khai cấu trúc pin chuyển tiếp phía Al/c-Si(P)/N+/lưới Al nhằm lần khẳng định chất lượng lớp màng nc-Si:H pha tạp loại N Bảng Các thông số kết chế tạo mẫu chi tiết Mẫu Độ dẫn tối (Ω-1cm-1) Năng lượng hoạt hóa (10-2 eV) Năng lượng vùng cấm Eg(eV) Phần trăm tinh thể (Xc %) 90% 1.52 4.34 1.95 37 95% 96% 97% 5.52 7.84 5.15 2.4 2.2 3.0 2.21 2.23 2.25 42 47 40 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Ảnh hưởng hydro pha loãng silane đến tính chất điện màng Để khảo sát ảnh hưởng hydro pha loãng silane đến tính chất điện màng thông số chế tạo khác (áp suất lắng đọng, nhiệt độ đế, nồng độ pha tạp phosphine (PH3)…) giữ cố định, có tỉ lệ hydro pha loãng silane thay đổi từ 90% đến 97% Kết hình 1(a), (b) tỷ lệ hydro pha loãng silane tăng từ 90% đến 96% độ dẫn tối màng nc-Si:H pha tạp loại N tăng mạnh, tương ứng với lượng hoạt hóa giảm (7,84 Ω-1cm-1, 2,2.10-2eV) Điều giải thích sau: Thứ tỷ lệ hydro pha loãng silane tăng cao nồng độ hydro plasma lớn nên dễ dàng trung hòa liên kết bất bão hòa (dangling bonds) tâm bắt điện tử độ linh động điện tử cao Thứ hai mật độ hydro nhiều nên trình lắng đọng màng liên kết yếu bị loại bỏ, hình thành lên liên kết Si-Si đặn hay chuyển màng từ cấu trúc vô định hình sang cấu trúc vi tinh thể (sẽ làm rõ trình khảo sát cấu trúc), với cấu trúc vi tinh thể làm hiệu suất pha tạp cao Khi hiệu suất pha tạp cao mức donor dịch gần đáy vùng dẫn lượng hoạt hóa màng giảm mạnh, điện tử dễ dàng nhảy lên vùng dẫn nồng độ điện tử cao [5] 4.5 b a -2 -1 Dark conductivity (Ohm Energy active (10 eV) 4.0 -1 cm ) 3.5 3.0 2.5 2.0 89 90 91 92 93 94 95 Ratio Hydrogen dilution (%) 96 97 98 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 Ratio Hydrogen dilution (%) Hình Độ dẫn tối theo RH (a), lượng hoạt hóa theo RH (b) Ảnh hưởng hydro pha loãng silane đến tính chất quang Từ phổ truyền qua vùng khả kiến tử ngoại (UV-Vis) phương pháp ngoại Tauc trình bày hình cho thấy màng nc-Si:H pha tạp loại N có độ truyền qua vùng khả kiến cao có bờ hấp thụ dịch bước sóng ánh sáng tím Bằng phương pháp ngoại suy Tauc xác định gần lượng vùng cấm quang màng (EOpt), chi tiết hình 2b cho thấy RH cao màng có độ rộng vùng cấm lớn (2,2 eV) điều giải thích màng có cấu trúc vi tinh thể nên đuôi vùng thu hẹp lại [6], mặt khác hiệu suất pha tạp cao nên mức trạng thái thấp vùng dẫn bị chiếm đầy điện tử nên cần phải cần lượng photon lớn kích thích điện tử nhảy từ vùng hóa trị lên mức trạng thái cao vùng dẫn [7] ISBN: 978-604-82-1375-6 28 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM 80 2.25 96H 90H 95H 97H 70 2.20 50 Band gap (eV) Transmission (%) 60 40 30 a 20 2.15 2.10 b 2.05 2.00 10 1.95 -10 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 Ratio Hydrogen dilution (%) wevelenght (nm) Hình Phổ truyền qua UV-Vis (a), lượng vùng cấm quang theo RH (b) Để minh chứng cho chuyển pha cấu trúc màng từ vô định hình sang cấu trúc vi tinh thể tác động hydro pha loãng silane, mà với cấu trúc vi tinh thể màng có tính chất điện quang tốt phần khảo sát cấu màng thông qua phổ Raman Phổ Raman phép phân tích hữu hiệu cho biết dao động liên kết Si-Si màng có cấu trúc vô định hình hay vi tinh thể Kết phân tích hình 3(a) cho thấy tỷ lệ hydro pha loãng silane cao (90%, 95%) phổ Raman xuất đỉnh đặc trưng số sóng 509 cm-1 đặc trưng cho mầm tinh thể, nhiên phần đường bao đỉnh phổ có phần mở rộng số sóng 480 cm-1đặc trưng cho pha vô định hình Khi tỷ lệ RH cao (96%, 97%) đỉnh phổ đặc trưng màng suất số sóng 516 cm-1 đặc trưng cho pha vi tinh thể [8] Bằng phép giải chập phổ Raman tính gần tỷ I 516  I 510 I  I 510  I 480 kết hình 3(b) cho thấy tỷ lệ tinh lệ tinh thể màng theo công thức XC = 516 thể màng tăng tỷ lệ RH tăng cao RH = 96% (XC = 47%) Từ kết phân tích phổ Raman cho thấy màng chế tạo với tỷ lệ hydro pha loãng silane cao có chuyển pha cấu trúc từ vô định hình sang cấu trúc vi tinh thể có tính chất điện tính chất quang tốt 95H5torr 90H5torr 97H5torr 96H5torr 16000 Intensity(a.u) 14000 a 12000 10000 8000 6000 4000 2000 400 450 500 550 600 -1 Wave number (cm ) 650 700 48 46 Crystalline of percentage (%) 18000 b 44 42 40 38 36 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 Ratio Hydrogen dilution (%) Hình Phổ Raman theo RH cao (a), phần trăm tinh thể theo RH cao (b) Áp dụng màng nc-Si:H pha tạp loại N vào làm cực phát pin mặt trời chuyển tiếp dị thể Để tái khẳng định chất lượng màng nc-Si:H pha tạp loại N với thông số tỷ lệ RH tốt (96%) áp dụng vào chế tạo pin mặt trời chuyển tiếp phía Al/c-Si (P)/nc-Si:H/ lưới Al so sánh với pin sử dụng lớp cực phát chưa tối ưu Như trình bày hình 4(a), 4(b) cho thấy với hai trường hợp hình thành lớp chuyển tiếp pn (đặc I-V tối pin thể đặc trưng chuyển tiếp pn), pin chiếu sáng đường đặc trưng I-V hai pin có nhiều khác biệt Đối với pin sử dụng lớp phát chưa tối ưu (4a) mở dòng ngắn mạch thấp (6mA, 250mV) đối pin sử dụng lớp phát với thông số chế tạo tối ưu (4b) thu mở dòng ngắn mạch tương đối cao (17mA, 480 mV) ISBN: 978-604-82-1375-6 29 80 24 22 20 18 16 14 12 10 -2 -4 -6 -8 -10 -1.2 Dakr Light Dark Light 60 ISC(mA) ISC (mA) Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM a 40 b 20 -20 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 VOC(V) 0.0 0.2 0.4 0.6 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 VOC(V) Hình Đặc trưng I-V màng loại N chưa tối ưu (a), màng loại N tối ưu (b) KẾT LUẬN Từ kết thực nghiệm, thông qua phép phân tích, đánh giá nhận thấy tỷ lệ hydro pha loãng silane có ảnh hướng lớn đến cấu trúc, tính chất điện, quang màng Si:H Tìm tỷ lệ RH =96% cho màng có tính chất điện quang cao (7,84 Ω-1cm-1, 2,23.10-2eV), áp dụng vào chế tạo pin thu kết bước đầu đáng ghi nhận (17mA, 480 mV) Trong nghiên cứu nhóm tập chung vào lớp chuyển tiếp (c-Si/nc-Si:H, ncSi:H/TCO…) nhằm nâng cao hiệu suất pin IMPROVERMENT OF ELECTRICAL AND OPTICAL PROPERTIES OF DOPED AMORPHOUS SILICON LAYERS APPLIED TO HETEROJUNTION SOLAR CELLS ABSTRACT The optimisation of electrical and optical properties of doped amorphous silicon layers (the emitter layer) is of key importance to obtain high efficiency heterojunction (HJ) solar cells Desired properties for the emitter layer include wide bandgap, low surface and interface recombination, and good doping efficiency In this study, we report on the thin-film properties of n-doped nc-Si:H emitter layers deposited using RF (13.56 MHz) PECVD, at different SiH 4/H2 gas flow ratios, at the same RF power, pressures, and temperatures Trends relating deposition conditions to relevant film characteristics such as thickness, wide bandgap, crystalline fraction and conductivity are discussed Finally, the heterojunction solar cells using the optimised parameters for n-doped nc-Si:H layers are fabricated with high short circuit current (17 mA) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mishima, T.; Taguchi , M.; Sakata, H.; Maruyama, E Development status of high-efficiency HIT solar cells Sol Energy Mater Sol Cells 2010, 95, 18–21 [2] Zhao J, Wang A, Green MA Emitter design for high-efficiency silicon solar cells Part I: Terrestrial cells Prog Photovolt.: Res Appl 1993; (3):193-202 [3] Pysch DMB, Zimmermann K, Schetter C, Hermle M, Glunz SW Comprehensive study of different PECVD deposition methods for deposition of thin intrinsic amorphous silicon for heterojunction solar cells Proc 24th European Photovoltaic Solar Energy Conf., Hamburg, Germany; 2009, p 1580-5 [4] J Tauc, in: F Abeles (Ed.), Optical Properties of Solids, North Holland, 1972 [5] S.A Filonovich, M Ribeiro, Phosphorous and boron doping of nc-Si:H thin films deposited on plastic substrates at 150 oC by Hot-Wire Chemical Vapor Deposition, Thin Solid films, 516, (2008) 576-579 [6] S.R Jadkar, J.V Sali, M.G Takwale, The role of hydrogen dilution of silane and phosphorus doping on hydrogenated microcrystalline silicon (µc-Si:H) films prepared by hot wire chemical vapor deposition (HWCVD) technique,Thin Solid Films 395 (2001) 206-212 [7] H Chen M.H Gullanar, Effect of high hydrogen dilution on the optical and elaectrical properties in B-doped nc-Si:H thin films, Journal of Crystal Growth 260 (2004) 91-10 [8] Antonı´nFEJFAR, Ha STUCHLI´KOVA´, Manabu ITO, Kazuyoshi RO, Structure and properties of silicon thin films deposited at low substrate temperatures, Jpn J Appl Phys Vol 42 (2003) pp.L987–L989 ISBN: 978-604-82-1375-6 30