Chế tạo và nghiên cứu tính chất điện, quang của màng mỏng sige ứng dụng trong pin mặt trời thế hệ hai

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC LÊ XUÂN HIẾU CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN, QUANG CỦA MÀNG MỎNG SiGe ỨNG DỤNG TRONG PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ HAI LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC LÊ XUÂN HIẾU CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN, QUANG CỦA MÀNG MỎNG SiGe ỨNG DỤNG TRONG PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ HAI Ngành: Quang học Mã số: 44 01 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Cán hướng dẫn khoa học: TS VŨ VĂN THÚ PGS.TS NGUYỄN VĂN ĐĂNG THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài: “Chế tạo nghiên cứu tính chất điện, quang màng mỏng SiGe ứng dụng pin mặt trời hệ hai” cơng trình nghiên cứu hướng dẫn TS Vũ Văn Thú PGS.TS Nguyễn Văn Đăng Các số liệu kết đưa luận văn hoàn toàn trung thực chưa công bố cơng trình trước Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm lời cam đoan Thái Nguyên, tháng 11 năm 2019 Tác giả Lê Xuân Hiếu Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tơi xin bày tỏ lòng kính trọng gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Vũ Văn Thú PGS.TS Nguyễn Văn Đăng, thầy hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Các thầy ln bảo tận tình, động viên tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian thực nghiên cứu Tôi xin cảm ơn tới Khoa Vật lí - Cơng nghệ - Trường Đại học Khoa học Đại học Thái Nguyên, Viện ITIMS - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cho hội học tập, nghiên cứu làm thực nghiệm Trong suốt thời gian làm luận văn, nhận giúp đỡ công việc, động viên, khích lệ thầy, đặc biệt thầy TS Ngô Ngọc Hà, Viện ITIMS bạn sinh viên học tập nghiên cứu Tôi xin ghi nhận tình cảm quý báu từ thầy, anh chị bạn giành cho Tôi xin cảm ơn tới Ban giám hiệu, tổ mơn Vật lí thầy, giáo trường THPT Quảng Hà ủng hộ, tạo điều kiện giúp tơi hồn thành luận văn Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình, anh em, bạn thân ln tin tưởng ủng hộ tôi, giúp vượt qua tất khó khăn q trình học tập, nghiên cứu để hồn thành luận văn Thái Nguyên, tháng 11 năm 2019 Tác giả Lê Xuân Hiếu Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu đề tài 3 Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục luận văn gồm Chương TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN Si Ge 1.1 Cấu trúc vùng lượng trình tái hợp phát xạ hạt tải điện vật liệu bán dẫn 1.1.1 Đặc điểm cấu trúc vùng lượng chất bán dẫn 1.1.2 Các trình phát quang xảy vật liệu bán dẫn 1.2 Vật liệu bán dẫn Ge 10 1.2.1 Vật liệu bán dẫn Ge tinh thể khối 10 1.2.2 Cấu trúc vùng lượng tính chất quang Ge tinh thể khối 12 1.3 Vật liệu bán dẫn Si 14 1.3.1 Vật liệu bán dẫn Si tinh thể khối 14 1.3.2 Cấu trúc vùng lượng tính chất quang Si tinh thể khối 15 1.4 Vật liệu Si cấu trúc nanô 17 1.4.1 Các cấu trúc thấp chiều vật liệu Si 17 1.4.2 Tính chất quang vật liệu Si cấu trúc nano 19 1.5 Sự lai hóa vật liệu nano Si Ge 21 1.6 Pin mặt trời sở Si Ge 23 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iv Chương THỰC NGHIỆM 26 2.1 Phương pháp phún xạ 26 2.1.1 Nguyên lý phương pháp phún xạ 26 2.1.2 Các kỹ thuật phún xạ 26 2.1.3 Bia phún xạ 29 2.2 Một số phương pháp nghiên cứu đặc trưng tính chất 30 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 30 2.2.2 Phương pháp tán xạ Raman 32 2.2.3 Phương pháp phổ tán sắc lượng tia X 33 2.2.4 Phương pháp hiển vi điển tử truyền qua phân giải cao 34 2.3 Quy trình chế tạo pin mặt trời sở Si Ge 37 2.3.1 Chế tạo màng mỏng chứa nano Si-Ge 37 2.3.2 Mô tả chi tiết bước chế tạo 38 2.3.3 Quy trình chế tạo pin mặt trời sở Si Ge 40 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43 3.1 Hình thái cấu trúc số tính chất quang vật liệu hợp kim nano Si-Ge 43 3.1.1 Kết phân tích thành phần phổ tán sắc lượng vật liệu hợp kim nano Si-Ge vật liệu SiO2 43 3.1.2 Kết khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến hình thành pha tinh thể hợp kim Si1-xGex 44 3.1.3 Kết phân tích phổ tán xạ Raman hợp kim Si1-xGex 46 3.1.4 Kết phân tích vi cấu trúc tinh thể hợp kim Si1-xGex 47 3.2 Khảo sát đánh giá thông số pin mặt trời 49 3.3 Kết khảo sát đặc trưng dòng (I-V) pin mặt trời chế tạo 52 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU BZ Vùng Brillouin DFT Lý thuyết phiếm hàm mật độ EDX Phổ tán sắc lượng tia X Eg Độ rộng vùng cấm FCC Cấu trúc lập phương tâm mặt FFT Phép biến đổi nhanh Fourier Ge Nguyên tố Germani HR-TEM NC SAED Si Hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao Tinh thể nano Nhiễu xạ lựa chọn vùng điện tử Nguyên tố Silic TEM Hiển vi điện tử truyền qua XRD Nhiễu xạ tia X Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Một số thông số vật lý vật liệu Ge 11 Bảng 1.2 Một số thông số vật lý vật liệu Si 14 Bảng 1.3 Sự tương đồng vật liệu Si Ge 16 Bảng 2.1 Bảng mẫu vật liệu Si1-xGex chế tạo phương pháp đồng phún xạ catốt 39 Bảng 3.1 Thành phần nguyên tố có hệ mẫu M1, M2, M3, M4 44 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vii DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Bán dẫn vùng cấm thẳng Hình 1.2 Bán dẫn vùng cấm xiên Hình 1.3 Mơ hình tái hợp chuyển mức thẳng Hình 1.4 Mơ hình tái hợp chuyển mức xiên Hình 1.5 Mơ hình tái hợp thông qua trạng thái exciton Hình 1.6 Mơ hình tái hợp Donor - Acceptor 10 Hình 1.7 (a) Mơ hình cấu trúc tinh thể kiểu kim cương với hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào Ge; (b) Mặt đẳng đáy vùng dẫn chất bán dẫn Ge 12 Hình 1.8 Cấu trúc vùng lượng Ge không gian k 13 Hình 1.9 Cấu trúc tinh thể Ge biểu diễn không gian chiều 13 Hình 1.10 Mơ tả cấu trúc tinh thể (a) vùng Brillouin thứ (b) silíc 15 Hình 1.11 Cấu trúc vùng lượng Si 16 Hình 1.12 Mơ tả cấu trúc thấp chiều Si 18 Hình 1.13 Sự phụ thuộc huỳnh quang mẫu SiO2:Si theo nhiệt độ ủ mẫu nồng độ Si mẫu 20 Hình 1.14 Sự phụ thuộc phổ huỳnh quang mẫu màng SiO2:Si theo kích thước hạt nc-Si 21 Hình 1.15 Phổ ánh sáng mặt trời thu mặt đất A.M.1.5 phần lượng ánh sáng thu từ loại vật liệu chế tạo pin mặt trời khác 25 Hình 2.1 Nguyên lý trình phún xạ 26 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ catôt chiều 27 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ catơt xoay chiều RF 28 Hình 2.4 Sơ đồ minh hoạ hệ phún xạ manhêtrôn phẳng 29 Hình 2.5 Ảnh chụp hệ máy phún xạ Alcatel SCM 400 sử dụng hai nguồn DC RF 29 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn viii Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý nhiễu xạ tia X tinh thể 31 Hình 2.7 Nhiễu xạ kế D8-Advance 32 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý tán xạ Raman 33 Hình 2.10 Mặt cắt pin mặt trời chế tạo nghiên cứu 42 Hình 3.1 Phổ tán sắc lượng tia X mẫu M1, M2, M3, M4 43 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu M3 ủ nhiệt độ 6000C, 8000C 10000C 45 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X tinh thể hợp kim Si1-xGex với x =0,2; 0,4; 0,6 0,8 nhiệt độ ủ 1000oC 46 Hình 3.4 Phổ Raman tinh thể hợp kim Si1-xGex với x = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 xử lý nhiệt 1000oC mơi trường khí N2 với thời gian 30 phút 47 Hình 3.5 (a) Hình ảnh TEM mẫu Si1-xGex với x = 0,8 sau ủ 1000°C, đốm đen có đường kính từ 3÷10 nm đơn tinh thể hợp kim SiGe; (b) Hình ảnh HR-TEM hạt tinh thể (hình chèn thêm ảnh FFT); (c) Hình ảnh nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng (SAED) 48 Hình 3.6 Cấu trúc sơ đồ pin mặt trời chuẩn bị với tiếp điểm phía trước Ag Al 49 Hình 3.7 Ảnh SEM Si (a) Ge (b) phún xạ đế thạch anh công suất phún xạ 100 W thời gian 90 phút 51 Hình 3.8 Đường cong hiệu chuẩn cho vật liệu Si Ge phún xạ 52 Hình 3.9 Thiết kế mask điện cực bạc cho pin mặt trời 52 Hình 3.10 Pin mặt trời sau chế tạo kiểm tra đặc trưng I-V hệ Sun-simulator Oriel IV test station (Oriel instruments, Mỹ) 53 Hình 3.11 Đặc trưng I-V pin mặt trời chế tạo 53 Hình 3.12 Mạch điện tương đương pin mặt trời kiểm tra đặc trưng I-V 54 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 44 đỉnh phổ đặc trưng cho nguyên tố Ge tăng dần, cường độ đỉnh phổ đặc trưng cho Si giảm dần Chứng tỏ mẫu chế tạo hợp thức mong muốn Mặc dù phổ EDS không xác định pha vật liệu giúp đánh giá định lượng thành phần ngun tố vật liệu, chúng tơi tiến hành xác định tỷ phần nguyên tố có mẫu Kết thể Bảng 3.1 Bảng 3.1 Thành phần nguyên tố có hệ mẫu M1, M2, M3, M4 Mẫu Si1-xGex SiO2 Si (%) Ge (%) O (%) M1 (x = 0,2) 45,5 4,9 48,7 M2 (x = 0,4) 41,1 10,2 47,7 M3 (x = 0,6) 35,9 17,3 45,9 M4 (x = 0,8) 29,7 23,9 45,8 Từ bảng 3.1 ta thấy, thành phần mẫu sau chế tạo phương pháp đồng phún xạ catốt có tỉ lệ thành phần nguyên tố phù hợp với thông số phún xạ 3.1.2 Kết khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến hình thành pha tinh thể hợp kim Si1-xGex Các mẫu M1, M2, M3, M4 sau ủ nhiệt độ 6000C, 8000C 10000C để ổn định cấu trúc làm giảm sai hỏng, khuyết tật hình thành trình chế tạo, đưa khảo sát nhiễu xạ tia X, nhằm xác định pha hình thành tinh thể hợp kim Các mẫu chọn khảo sát phép đo nhiễu xạ X mẫu M3 với x = 0,6 tương đương với hợp kim Si-Ge Si0.4Ge0.6 nhiệt độ 6000C, 8000C 10000C thể Hình 3.2 Từ Hình 3.2 chúng tơi thấy, mẫu ủ nhiệt nhiệt độ 6000C, 8000C có dạng vơ định hình chứng tỏ nhiệt độ ủ phải lớn 8000C hình thành pha hợp kim Si1-xGex Do chúng tơi chọn nhiệt độ để xử lý nhiệt 1000oC Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 45 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu M3 ủ nhiệt độ 6000C, 8000C 10000C Sau chọn nhiệt độ xử lý nhiệt mẫu hợp kim Si1-xGex 1000oC, tiếp tục mang mẫu M1, M2, M3, M4 xử lý nhiệt 1000oC Kết phân phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu thể hình 3.3 Từ Hình 3.3, chúng tơi nhận thấy thành x thay đổi giá trị từ 0,2 ÷ 0,8, tức thành phần nguyên tố Ge hợp kim Si1-xGex tăng lên Trên giản đồ nhiễu xạ tia X, xuất đỉnh nhiễu xạ, đỉnh xuất tinh thể Si (■) Ge (●) tinh khiết với số mạng tương ứng 5,431 5,651 (Å) Dựa phân tích số liệu phép đo XRD, thấy mẫu khảo sát hợp kim tinh thể Si Ge có cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) Tại vị trí xung quanh góc nhiễu xạ 2θ 28o, 46o 54o tương ứng mặt phẳng nhiễu xạ (111), (022) (113), đỉnh nhiễu xạ ứng với số Miller hkl có xu hướng dịch chuyển phía góc nhiễu xạ 2θ nhỏ (hình thành tinh thể Ge) thành phần Ge tăng lên (x tăng) Khi giá trị thành phần x tăng lên, nghĩa hàm lượng nguyên tố Ge hợp kim Si1-xGex tăng Do kích thước hạt nano tinh thể số mạng tinh thể hợp kim Si1-xGex tăng, tính tốn số mạng kích thước tinh thể Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 46 hợp kim có sai khác phép tính có lấy xấp xỉ gần Để thấy rõ thay đổi số mạng a kích thước hạt tinh thể D hợp kim Si1-xGex mẫu ủ nhiệt độ 1000oC, thành phần x tăng từ 0,2 ÷ 0,8 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X tinh thể hợp kim Si1-xGex với x =0,2; 0,4; 0,6 0,8 nhiệt độ ủ 1000oC 3.1.3 Kết phân tích phổ tán xạ Raman hợp kim Si1-xGex Để thấy rõ hình thành pha tinh thể hợp kim Si1-xGex sau ủ nhiệt, mẫu M1, M2, M3, M4 sau xử lý nhiệt 1000oC đo phổ tán xạ Raman khoảng số sóng từ 200 đến 600 cm-1 nhiệt độ phòng So với phương pháp nhiễu xạ tia X, phương pháp phổ tán xạ Raman có ưu khả phát pha tinh thể với độ nhạy cao nhạy phương pháp nhiễu xạ tia X Phương pháp thường sử dụng việc đánh giá cấu trúc tinh thể, biến đổi vi cấu trúc tính đối xứng, thay đổi độ dài liên kết, dao động mạng Kết đo phổ tán xạ Raman hệ mẫu khoảng số sóng từ 200 - 600 cm-1 nhiệt độ phòng trình bày Hình 3.4 Từ Hình 3.4, cho chúng tơi thấy nhận xét sau: - Các đỉnh ứng với mode dao động liên kết Ge-Ge, Ge-Si, Si-Si vùng số sóng gần 300, 400, 500 (cm-1) hồn tồn phù hợp với nghiên cứu vật liệu Si1xGex nhóm [26, 27] Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 47 - Khi x tăng, cường độ đỉnh đặc trưng cho liên kết Ge-Ge tăng dần, chứng tỏ thủy phần Ge mẫu tăng Ngược lại, cường độ đỉnh đặc trưng cho liên kết Si-Si giảm dần x tăng, chứng tỏ tỷ phần Si giảm - Khi nhiệt độ ủ cao (1000oC) hình thành rõ liên kết, kết tinh tốt hơn, kích thước hạt lớn Hình 3.4 Phổ Raman tinh thể hợp kim Si1-xGex với x = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 xử lý nhiệt 1000oC môi trường khí N2 với thời gian 30 phút Các kết thu qua phaantichs phổ tán xạ Raman hoàn toàn phù hợp với kết phân tích từ giản đồ nhiễu xạ tia X 3.1.4 Kết phân tích vi cấu trúc tinh thể hợp kim Si1-xGex Hình thái pha tinh thể nano hợp kim Si1-xGex quan sát phân tích sâu hình ảnh đo thơng qua kính hiển vi truyền qua phân giải cao (HRTEM) nhiễu xạ chọn lọc vùng điện tử (SAED) Hình 3.5 (a) ảnh TEM mẫu M4 (x = 0,8) ủ 1000°C; hình dễ dàng nhận hình thành hình cầu nhỏ (đốm đen) với đường kính khác khoảng ÷10 (nm) SiO2 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 48 a) b) c) Hình 3.5 (a) Hình ảnh TEM mẫu Si1-xGex với x = 0,8 sau ủ 1000°C, đốm đen có đường kính từ 3÷10 nm đơn tinh thể hợp kim Si-Ge; (b) Hình ảnh HR-TEM hạt tinh thể (hình chèn thêm ảnh FFT); (c) Hình ảnh nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng (SAED) Hình 3.5 (b) cho thấy hình ảnh truyền qua có độ phân giải cao (HR - TEM) với phép biến đổi nhanh Fourier (FFT) Kết cho thấy hạt xuất ảnh HR-TEM đơn tinh thể Dựa vào khoảng cách hai mặt nhiễu xạ liên tiếp có giá trị d =2,80 Å, xác định mặt nhiễu xạ có số hkl (002) ứng với cấu trúc tinh thể FCC thuộc nhóm đối xứng khơng gian Fd-3m Si Ge Các lập luận chứng minh thêm ảnh FFT (hình chèn thêm), từ ảnh FFT xác định khoảng cách từ tâm ảnh nhiễu xạ đến vị trí vết nhiễu xạ, qua khẳng thêm hạt đơn tinh thể hợp kim Si1-xGex khảo sát có cấu trúc FCC Hơn nữa, ảnh nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng (SAED) Hình 3.5 (c) trình bày hình ảnh khẳng định cấu trúc tinh thể hợp kim Si1-xGex, dựa số Miller hkl cấu trúc tinh thể hợp kim lập phương tâm mặt (FCC) Qua hình ảnh kết phân tích trên, thấy kết thu phù hợp với kết nhận từ giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) giới thiệu trước Từ hình ảnh phân tích cung cấp cho chứng trực tiếp tinh thể nano đơn pha Si1-xGex hình thành vật liệu SiO2 với kích thước nano Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 49 3.2 Khảo sát đánh giá thông số pin mặt trời Pin mặt trời điều chế từ Si loại n, định hướng (100) Đầu tiên, wafer cắt thành miếng vuông với chiều dài cạnh khoảng ÷ cm, xử lý dung dịch acetone H2SO4, HNO3, HF để loại bỏ lớp SiO2 tự nhiên bụi bẩn bề mặt wafer Trong bước tiếp theo, Si wafer rửa nước khử ion Các vật liệu Si Ge loại p trộn vào Si nhiệt độ phòng hệ thống phún xạ ACT Orion (Hoa Kỳ) để tạo 20nm hợp kim Si1-xGex loại p làm lớp phát xạ Độ dày lớp hợp kim kiểm soát sức mạnh phún xạ mục tiêu riêng lẻ Tiếp theo, lớp màng mỏng ITO phun lên đỉnh wafer để tạo kênh dẫn, đóng vai trò lớp chống phản xạ, tăng cường khả hấp thụ ánh sáng pin mặt trời Các điện cực (phía trước) (tiếp xúc) điều chế bạc dán điện cực (phía sau) chế tạo nhôm (Al) Cấu trúc sơ đồ pin mặt trời chuẩn bị minh họa Hình 3.6 Trong trình phún xạ, chất quay khoảng 7-10 vòng / phút plasma khí argon tinh khiết, cấp 5N, mức mTorr từ áp suất 5.10-6 Torr Khoảng cách từ nguồn đến đế cố định mức 10 cm Hình 3.6 Cấu trúc sơ đồ pin mặt trời chuẩn bị với tiếp điểm phía trước Ag Al Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 50 Đối với đặc tính mẫu, chất thạch anh chọn để lắng đọng Si Ge với quy trình Độ dày lớp phún xạ ước tính cách quét phép đo kính hiển vi điện tử (SEM) máy đo JEOL JSM-7600F (Hoa Kỳ) Độ dày thực tế vật liệu phún xạ kiểm soát cách điều chỉnh quyền hạn Các loại chất bán dẫn hiến pháp xác định cách sử dụng phép đo hiệu ứng Hall máy đo Lakeshore 7607 Hall (Hoa Kỳ) Một loạt pin mặt trời với phát hợp kim Si1-xGex có hàm lượng Ge khác x = 0,3; 0,4; 0,5 0,6 chế tạo Các đường cong pin mặt trời IV đặc trưng trạm thử nghiệm mô mặt trời Oriel IV (Hoa Kỳ) Các pin mặt trời chuẩn bị, minh họa Hình 3.6 hợp kim Si (xám đen) hợp kim Si1-xGex loại p (màu xám nhạt) ghép nối để tạo thành tiếp giáp p-n Để kiểm tra loại chất bán dẫn thích hợp, chúng tơi thực phép đo hiệu ứng Hall mẫu phún xạ đế thạch anh Các phép đo Hall thực theo quy trình sau Dòng điện khơng đổi I chảy qua mẫu đặt vng góc với fiel dB từ theuniform, vng góc với dòng chảy Sự khác biệt tiềm hai mặt mẫu, xác định điện áp Hall UH, tỷ lệ thuận với cường độ dòng I cường độ cảm ứng từ B tỷ lệ nghịch với độ dày d lớp phún xạ: (3.1) Trong RH số Hall Vì vậy, số Hall xác định là: (3.2) Về nguyên tắc, RH phụ thuộc vào loại bán dẫn Đối với RH < 0, có chất bán dẫn loại n, với RH > 0, thu chất bán dẫn loại p [9],[10] Khi xác định loại bán dẫn, vật liệu Si Ge chọn để chế tạo lớp chuyển tiếp p-n đế Si loại n (100) Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 51 (a) (b) Hình 3.7 Ảnh SEM Si (a) Ge (b) phún xạ đế thạch anh công suất phún xạ 100 W thời gian 90 phút Để kiểm sốt xác độ dày lớp hợp kim Si1-xGex có thành phần Ge khác x, tốc độ lắng đọng Si Ge nghiên cứu Hình 3.7 cho thấy hình ảnh SEM nhìn từ bên Si Ge lắng đọng đế thạch anh với công suất phún xạ cố định 100 W, công suất tiêu chuẩn, 90 phút Độ dày trung bình Si Ge xác định 614 nm 267 nm Trong nghiên cứu khác [29], tốc độ phún xạ tuyến tính với cơng suất phún xạ Do đó, phụ thuộc tuyến tính tốc độ lắng đọng vào công suất phún xạ ước định trình bày Hình 3.8 dùng làm đường cong hiệu chuẩn cho phún xạ Hơn nữa, công suất phún xạ thực tế thực xung quanh công suất thử nghiệm (~ 100 W) Dựa đường cong hiệu chuẩn này, tính tốn cơng suất phún xạ thời gian cho hợp kim Si1-xGex với thành phần x độ dày mong muốn hợp kim Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 52 Hình 3.8 Đường cong hiệu chuẩn cho vật liệu Si Ge phún xạ Các điện cực pin mặt trời thiết kế dạng hình lược, với khoảng cách khoảng khoảng nm Hình dáng điện cực mang tính thử nghiệm, để đạt hiệu suất cao, kích thước cấu tạo điện cực cần nghiên cứu kĩ lưỡng Hình 3.9 trình bày thiết kế mask điện cực bạc cho pin mặt trời Hình 3.9 Thiết kế mask điện cực bạc cho pin mặt trời 3.3 Kết khảo sát đặc trưng dòng (I-V) pin mặt trời chế tạo Sau chế tạo, pin mặt trời đem kiểm tra đặc trưng I-V(U) hệ Sun-simulator Oriel IV test station (Oriel instruments, Mỹ) Viện hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam Kết đo trình bày Hình 3.10 Trong đó, lớp điện cực phía lót thêm lớp đồng mỏng để tăng khả dẫn điện tới điện cực (màu đỏ) Điện cực kết nối với mũi dò đồng Ánh sáng giả lập mặt trời điều khiển công tắc đóng mở Hệ qt thu nhận tín hiệu hoạt động cách tự động Đường đặc trưng I-V pin mặt trời chế tạo có dạng Hình 3.11 ta thấy tính chất chỉnh lưu lớp chuyển tiếp với mở khoảng 0,7 V, tương đương với mở điốt bán dẫn Si thông thường Sự khác biệt chiếu sáng không chiếu sáng khơng đáng kể, điều cho thấy hiệu ứng pin mặt trời linh kiện chế tạo chưa có Sự tăng nhẹ mật độ dòng điện linh kiện chiếu sáng không chiếu sáng, Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 53 đặc biệt vùng phân cực ngược, điện trở suất linh kiện giảm tác dụng ánh sáng Hình 3.10 Pin mặt trời sau chế tạo kiểm tra đặc trưng I-V hệ Sunsimulator Oriel IV test station (Oriel instruments, Mỹ) Từ thực nghiệm, đo điện trở điện cực linh kiện lớn, điều phần lý giải cho không quan sát hiệu ứng pin mặt trời, từ khơng xác định hiệu suất pin Về bản, pin mặt trời chiếu sáng có sơ đồ tương đương Hình 3.12 Hình 3.11 Đặc trưng I-V pin mặt trời chế tạo Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 54 Mạch điện tương đương pin mặt trời trình bày Hình 3.12 bao gồm thành phần chính: Dòng quan điện (Iph), dòng điện sinh từ pin mặt trời; Dòng điốt (Id); Dòng dò (Ip) dòng bão hòa (Is) Khơng tính đến điện trở tiếp xúc điện cực đo, điện trở Rs xác định lớn triệt tiêu tồn hiệu ứng quan sát pin mặt trời chế tạo Một nguyên nhân để giải thích cho khơng quan sát hiệu ứng pin mặt trời chất lượng lớp chuyển tiếp chưa cao Đây vấn đề khắc phục thời gian ngắn liên quan đến điều kiện thí nghiệm sở nghiên cứu Hình 3.12 Mạch điện tương đương pin mặt trời kiểm tra đặc trưng I-V Các thử nghiệm nhằm tìm kiếm đường đặt trưng I-V cho loại pin mặt trời đề xuất việc phân nhỏ vùng pin mặt trời chế tạo Tuy nhiên, kết thực nghiệm khơng có thay đổi nhiều với phần linh kiện khác nhau, điều cho thấy “sự ổn định” công nghệ việc chế tạo linh kiện kích thước “tương đối lớn” phòng thí nghiệm chúng tơi Các kết mang tính thử nghiệm bước đầu diện tích phủ điện cực tương đối lớn, điện trở tiếp xúc cao mà chưa có giải pháp cụ thể để giảm thiểu Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 55 KẾT LUẬN Trong luận văn này, chúng tơi mơ tả tồn kết đạt trình nghiên cứu chế tạo vật liệu quang điện hiệu suất cao sở Si Ge Các kiến thức vật liệu cập nhật, sở xây dựng phép đo thực nghiệm nhằm nắm bắt kiến thức khả ứng dụng loại vật liệu Chúng loại vật liệu bán dẫn vùng cấm xiên điển hình, huỳnh quang xuất phát từ tái hợp điện tử lỗ trống xuất cấu trúc nano Sự lai hóa Si Ge tạo loại vật liệu đơn pha dải rộng khả thi với cấu trúc nano Độ rộng vùng cấm tính chất loại vật liệu lai hóa thay đổi theo thành phần điều kiện chế tạo Chúng loại vật liệu hoàn toàn phù hợp để chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao Kết nghiên cứu góp phần tăng cường hiểu biết thêm loại vật liệu Si Ge công nghệ chế tạo pin mặt trời Luận văn thu số kết sau đây: Đã chế tạo thành công tinh thể hợp kim Si1-xGex (với x =0.2, 0.4, 0.6 0.8) vật liệu SiO2 có thành phần độ dày mong muốn phương pháp phún xạ Kết khảo sát cấu trúc, tính chất vật liệu chế tạo cho thấy, màng mỏng sau xử lý nhiệt 1000oC kết tinh tốt, đơn pha Si1-xGex đáp ứng tốt điều kiện để chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao Đã thiết kế sơ đồ cấu trúc thử nghiệm chế tạo pin mặt trời sở vật liệu màng mỏng Si1-xGex chế tạo Đồng thời tiến hành khảo sát số đặc trưng quan trọng pin mặt trời linh kiện chế tạo Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO I TIẾNG VIỆT [1] Phùng Hồ Phan Quốc Phô, Giáo trình Vật lý bán dẫn, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội (2001) [2] Nguyễn Ngọc Long, Vật lý chất rắn, Nhà xuất Đại học Quốc gia HN (2007) [3] Vũ Đình Cự Nguyễn Xuân Chánh (2004), Công nghệ nano điều khiển đến phân tử, nguyên tử, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [4] Nguyễn Năng Định, Vật lý kỹ thuật màng mỏng, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội (2005) [5] Vũ Văn Thú, Nghiên cứu chế tạo Nano tinh thể Silic màng SiO2 ứng dụng chế tạo linh kiện điện huỳnh quang, Luận án tiến sĩ, Trường đại học Bách khoa Hà Nội (2009) II TIẾNG ANH [6] S Saeed, F Buters, K Dohnalová, L Wosinski, and T Gregorkiewicz, Structural and optical characterization of self-assembled Ge nanocrystal layers grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition, Nanotechnology 25, 405705 (2014) [7] S Takeoka, K Toshikiyo, M Fujii, S Hayashi, and K Yamamoto, Photoluminescence from Si1−xGex alloy nanocrystals, Phys Rev B 61, 15988 (2000) [8] M C Hanna and A J Nozik, Solar conversion efficiency of photovoltaic and photoelectrolysis cells with carrier multiplication absorbers, J Appl Phys 100, 074510 (2006) [9] S Saeed, C de Weerd, P Stallinga, F.C Spoor, A.J Houtepen, L DA Siebbeles, and T Gregorkiewicz, Light Sci Appl 4, e251 (2015) [10] S Saeed, F Buters, K Dohnalová, L Wosinski, and T Gregorkiewicz, Structural and optical characterization of self-assembled Ge nanocrystal layers grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition, Nanotechnology 25, 405705 (2014) Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 57 [11] L Tsybeskov and D.J Lockwood, Silicon-Germanium Nanostructures for Light Emitters and On-Chip Optical Interconnects Proc IEEE 97, 1284 (2009) [12] J Liu, M Beals, A Pomerene, S Bernardis, R Sun, J Cheng, L.C Kimerling, and J Michel, Nat Photonics 2, 433 (2008) [13] V I Klimov, J A McGuire, R D Schaller, and V I Rupasov, “Scaling of multiexciton lifetimes in semiconductor nanocrystals”, Phys Rev B 77, 195324 (2008) [14] YM Niquet, G Allan, C Delerue, M Lannoo, Quantum confinement in germanium nanocrystals, Applied Physics Letters 77 (8), 1182-1184 (2000) [15] S Takeoka, K Toshikiyo, M Fujii, S Hayashi, and K Yamamoto, Photoluminescence from Si1−xGex alloy nanocrystals, Phys Rev B 61, 15988 (2000) [16] N H Tung D N Quang, H A Huy, and D T Hien, Theory of the channelwidth dependence of the low-temperature hole mobility in Ge-rich narrow square Si/SiGe/Si quantum wells Phys Rev B 75, 073305 (2007) [17] N H Tung, D N Quang, D.T.Hien, and T T Hai, Key scattering mechanisms for holes in strained SiGe/Ge/SiGe quantum wells Journal of Applied Physics 104, 113711 (2008) [18] Thuy Thi Nguyen, Tuan Hoang Nguyen, Tu Nguyen, Chien Duc Nguyen, Lam Huu Nguyen, characterization of silicon nanowires grown by sputtering method, ICAMN2012 Int Conf Proc 1, 28-32 (2012) [19] Vuong-Hung Pham and Pham Thanh Huy, Strong luminescence from nanoporous Si with high degree of nanoporous structure by electrochemical etching of Si wafer, Materials Letters 142, 126 (2015) [20] Pham Van Tuan, Chu Anh Tuan, Tran Thanh Thuy, Vu Binh Nam, Pham Toan Thang, Pham Hong Duong, Pham Thanh Huy, Layered structure in core–shell silicon nanowires, Journal of Luminescence 154, 46 (2014) [21] A Irrera, D Pacifici, M Miritello, G Franzu, F Priolo, F Iacona, D Sanfilippo, G Di Stefano and P.G Fallica (2003), Light emitting devices based on silicon nanostructures, NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry, Vol 93, Kluwer Academic Publishers Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 58 [22] Kasper, E., & Herzog, H J (2011), Structural properties of silicongermanium (SiGe) nanostructures Silicon-Germanium (SiGe) Nanostructures, pp 3–25 [23] Mori, N (2011), Electronic band structures of silicon-germanium (SiGe) alloys Silicon-Germanium (SiGe) Nanostructures, pp 26–42 [24] J Tang, Z Huo, S Brittman, H Gao, P Yang, Solution-processed core-shell nanowires for efficient photovoltaic cells, Nat Nanotechnol (2011) 568– 572 doi:10.1038/nnano.2011.139 [25] B.M Kayes, H.A Atwater, N.S Lewis, Comparison of the device physics principles of planar and radial p-n junction nanorod solar cells, J Appl Phys 97 (2005) doi:10.1063/1.1901835 [26] G Zheng, W Lu, S Jin, C.M Lieber, Synthesis and fabrication of highperformance n-type silicon nanowire transistors, Adv Mater 16 (2004) 1890–1893 doi:10.1002/adma.200400472 [27] B Tian, X Zheng, T.J Kempa, Y Fang, N Yu, G Yu, J Huang, C.M Lieber, Coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectronic power sources, Nature 449 (2007) 885–889 doi:10.1038/nature06181 [28] M Tayanagi, N Usami, W Pan, K Ohdaira, K Fujiwara, Y Nose, K Nakajima, Improvement in the conversion efficiency of single-junction SiGe solar cells by intentional introduction of the compositional distribution, J Appl Phys 101 (2007) doi:10.1063/1.2709575 [29] T Van Quang, N.T Giang, N.N Ha, Tuning the Electronic Structure of Si 1x Ge x Alloys, VNU J Sci Math – Phys 32 (2016) 57–62 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ... giới hệ vật liệu SiGe ứng dụng làm pin mặt trời Xuất phát từ lý trên, chọn đề tài nghiên cứu Chế tạo nghiên cứu tính chất điện, quang màng mỏng SiGe ứng dụng pin mặt trời hệ hai Mục tiêu đề... NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC LÊ XUÂN HIẾU CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN, QUANG CỦA MÀNG MỎNG SiGe ỨNG DỤNG TRONG PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ HAI Ngành: Quang học Mã số: 44 01 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ... nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài: Chế tạo nghiên cứu tính chất điện, quang màng mỏng SiGe ứng dụng pin mặt trời hệ hai cơng trình nghiên cứu