Nghiên cứu và chế tạo màng chống phản xạ bằng vật liệu si3nx siox dùng cho pin năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH PTN CƠNG NGHỆ NANO NGUYỄN ĐÌNH NGHĨA NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ BẰNG VẬT LIỆU Si3Nx SiOx DÙNG CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành phố Hồ Chí Minh - 2012 i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH PTN CƠNG NGHỆ NANO NGUYỄN ĐÌNH NGHĨA NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ BẰNG VẬT LIỆU Si3Nx SiOx DÙNG CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành:Vật liệu Linh kiện Nanơ (Chun ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TRẦN THUẬT Thành phố Hồ Chí Minh – 2012 iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU Chương Tổng quan pin mặt trời đơn tinh thể 1.1 Pin mặt trời tiếp xúc p-n 1.2 Cấu trúc vật liệu tạo tế bào quang điện lớp tiếp xúc p-n 1.2.1 Cấu trúc mạng cấu trúc vùng lượng 1.2.2 Sự hấp thụ photon 1.2.3 Vật liệu bán dẫn c-Si loại i, n p 1.2.4 Sự thất thoát hạt tải tái hợp 1.2.5 Tiếp xúc p-n 10 1.3 Nguyên lý họat động 14 1.3.1 Dòng quang điện 14 1.3.1 Đặc tuyến J-V 16 Chương Vật lý lắng đọng hóa học plasma tăng cường 19 2.1 Tổng quan plasma 19 2.2 Phóng điện phát quang khơng cân 20 2.3 Cấu trúc buồng plasma sử dụng 21 2.4 Mơ hình phản ứng chất sử dụng tạo màng 21 Chương Tính toán quang học 24 3.1 Tổng quan sóng ánh sáng 24 3.1.1 Sóng điện từ tự 24 3.1.2 Hiện tượng phân cực 26 3.1.3 Cường độ ánh sáng phân cực 27 3.1.4 Phổ xạ mặt trời 28 3.2 Xây dựng ma trận truyền cho hệ quang học 30 3.2.1 Hệ số phản xạ truyền qua 30 3.2.2 Công thức Fresnel 31 3.2.3 Tương tác sóng phẳng với mơi trường 33 3.2.4 Sự phản xạ sóng phân cực thẳng 35 3.2.5 Tính tốn với hệ màng đa lớp 37 Chương Màng đơn lớp oxit silic 43 4.1 Thực nghiệm màng oxit silic 43 4.1.1 Thiết bị sử dụng 43 v 4.1.2 Chiết suất màng phụ thuộc điều kiện plasma 43 4.2 Tối ưu hóa chống phản xạ 48 4.2.1 Tính tốn 48 4.2.2 So sánh phương pháp 49 4.2.3 Tính tốn tối ưu 53 Chương Màng hai lớp chống phản xạ cho pin mặt trời 59 5.1 Lựa chọn chiết suất tính tốn tối ưu 59 5.1.1 Tính tốn tối ưu 59 5.1.2 Số liệu thực nghiệm 62 5.2 Đánh giá so sánh 62 5.2.1 Đánh giá 62 5.2.2 Sự dịch chuyển đáy phổ 63 5.2.3 So sánh độ phản xạ tính tốn loại màng 65 Kết luận hướng phát triển 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC 73 Chương Tổng quan pin mặt trời đơn tinh thể 1.1 Pin mặt trời tiếp xúc p-n Năng lượng xạ mặt trời nguồn lượng chuyển hóa trực tiếp thành điện tế bào quang điện Số liệu mật độ lượng mặt trời chiếu tới địa phương từ khu vực phía Bắc tới Nam Hình 1-1 Mật độ lượng (kWh/m2 /ngày) Hà Nội Đà Nẵng TP Hồ Chí Minh Hình 1-1: Mật độ lượng xạ mặt trời trung bình ngày Việt Nam[11] Tế bào quang điện sử dụng đế silic đơn tinh thể sử dụng phổ biến (tạo từ phương pháp mọc Czochralski (Cz) Floatzone (Fz) pha tạp trình mọc mầm để tạo thành đế loại n loại p) Trong số tế bào quang điện có lớp tiếp xúc hai bán dẫn loại p bán dẫn loại n có cấu trúc tinh thể Cấu trúc tế bào quang điện lớp tiếp xúc p-n tiêu biểu mô tả Hình 1-2 Hình 1-2: Cấu trúc tế bào quang điện (solar cell) tiếp xúc p-n Để có tế bào quang điện, lớp tiếp xúc p-n đóng vai trị tế bào quang điện Luận văn “NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ BẰNG VẬT LIỆU SiNx SiOx DÙNG CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” sử dụng hai vật liệu silic nitrit (silicon nitride) oxit silic (silicon dioxide) chế tạo phương pháp phủ lắng đọng hóa học tăng cường plasma (PECVD) với bề dày tối ưu chống phản xạ để giảm thất thoát quang học, giảm tái hợp hạt tải bề mặt dẫn đến nâng cao hiệu suất chuyển hoán tổng hợp pin 1.2 Cấu trúc vật liệu tạo tế bào quang điện lớp tiếp xúc p-n 1.2.1 Cấu trúc mạng cấu trúc vùng lượng Mạng tinh thể silic có kiểu cấu trúc mạng kim cương với sở dạng lập phương tâm mặt cấu trúc vùng lượng cấu trúc vùng cấm xiên (Hình 1-3b) nhiệt độ 300K bề rộng vùng cấm silic vào khoảng 1,12eV[2] Hình 1-3: (a) Cấu trúc mạng lập phương tâm mặt Si (b) Cấu trúc vùng dẫn bán dẫn c-Si [9] 1.2.2 Sự hấp thụ photon 1.2.2.1 Sự chuyển mức Hấp thụ liên quan tới hình thành hạt tải dư silic hấp thụ photon [10] [2] (Hình 1-3b) làm dịch chuyển electron tới đáy vùng dẫn gián tiếp qua mức giả bền, sau phát sinh hay hấp thụ phonon kèm theo, thỏa mãn Định luật bảo toàn động lượng trường hợp chuyển mức xiên có dạng : k 'e  k e  k photon  k phonon Định luật bảo toàn lượng trường hợp chuyển mức xiên có dạng: Ek '  Ek   photon   phonon 1.2.2.2 Hệ số hấp thụ Do hấp thụ photon cường độ ánh sáng giảm dần theo độ sâu x theo qui luật hàm mũ Hệ số hấp thụ  chiều dài hấp thụ 1/  (cm) photon bán dẫn Si (bước sóng chân khơng) trình bày Hình 1-4 Các bước sóng ngắn ( 0  1.24 Eg (eV )  10  1103( nm) ) dễ bị hấp thụ khoảng cách gần với bề mặt hơn, với bước sóng 1000nm chiều dài hấp thụ 140 m , người ta thường chọn đế Silic có bề dày 200 m [10] Độ dài hấp thụ 1E+06 1E+04 1E+02 1E+00 1E-02 1E-04 1E-06 1E-08 1E+07 1E+05 1E+03 1E+01 1E-01 1E-03 1E-05 1E-07 200 400 600 800 1000 1200 1400 Bước sóng (nm) Hình 1-4: Hệ số hấp thụ chiều dài hấp thụ bán dẫn c-Si[13] 1.2.3 Vật liệu bán dẫn c-Si loại i, n p Trong chế tạo tế bào quang điện sử dụng đế c-Si loại p, để tạo tiếp xúc p-n, ta pha tạp Photpho lên mặt đế để có bán dẫn loại n Hình 1-2, tức hai loại chất cho nhận (electron) vào cấu trúc tinh thể Đây bán dẫn bù loại n có N D  N A , nồng độ chất cho hiệu dụng N D  N A [1] Ở nhiệt độ phòng, nồng độ hạt tải thiểu số xác định p0  ni n0 , nồng độ điện tử : n0  ND  N A  N D  N A   n2   i    1.2.4 Sự thất thoát hạt tải tái hợp Hạt tải dư tái hợp Ta có tái hợp vùngvùng, tái hợp khuyết tật, tái hợp Auger, dangling bond Chiều dài hấp thụ (cm) Hệ số hấp thụ (/cm) Hệ số hấp thụ Hình 1-6: Các chế tái hợp.a) vùng-vùng b) Auger c) khuyết tật[10] Sự tái hợp liên quan tới thời gian sống hạt tải, tái hợp hạt tải tinh thể không ảnh hưởng mạnh tái hợp vùng-vùng [10] Sự tái hợp Auger có ảnh hưởng mạnh tới thời gian sống hạt tải vật liệu bán dẫn pha tạp nồng độ cao Tái hợp khuyết tật (tái hợp Shockley,Read&Hall) sai hỏng mạng hay nguyên tử tạp chất bẫy điện tử lỗ trống gặp để hủy cặp Các chế tái hợp đồng thời ảnh hưởng tới thời gian sống hạt tải thời gian sống hạt tải xác định 1 1 Với nồng độ vào khoảng  1   radiation   Auger   SRH 1016  1018 cm3 , theo Kendall ước lượng thời gian sống hạt 0 tải vào khoảng   , với   400 s thời gian 15  N D 7.10 sống hạt tải bán dẫn [10] 1.2.5 Tiếp xúc p-n 1.2.5.1 Tiếp xúc p-n trạng thái cân Tế bào quang điện cấu thành từ tiếp xúc p-n, hai phía tiếp giáp hai khối bán dẫn vùng nghèo điện tích tích tự hình thành điện trường tiếp xúc  (V / cm) chống lại khuyếch tán hạt tải đa số tương ứng với rào gắn Vbi độ chênh lệch hai mức Fermi hai vùng bán dẫn n p, đảm bảo cân nồng độ hạt tải đa số ví dụ electron bán dẫn n với hạt tải thiểu số electron vùng p [1] (tức J ndrif  J n diff , J p drif  J p diff ) Cấu trúc vùng dẫn tiếp xúc p-n trình bày Hình 1-8 Hình 1-8: Biểu đồ vùng lượng tiếp xúc p-n cân nhiệt [1] 1.2.5.2 Tiếp xúc p-n thiên áp thuận ngược Khi đặt điện áp VA (hiệu điện cực p n) điện trường ngồi làm thay đổi điện trường ,rào điện bề rộng vùng nghèonhư Hình 1-9 mơ tả Hình 1-9: Biểu đồ vùng lượng a) thiên áp ngược, b) thiên áp thuận [1] Mật độ dòng điện qua tiếp xúc p-n mơ tả phương trình Shockley :   eV  eD n eD n  J  J exp( A )  1 Với J   n i  p i  dòng k BT    Ln N A Lp N D  bão hòa ngược (saturation current hay dark current) Khi ta khảo sát đặc tuyến J-V tế bào quang điện (ở Hình 1-13 (ứng với I L  )), J lớn tương ứng với tái hợp hạt tải lớn 1.3 Nguyên lý họat động 1.3.1 Dòng quang điện Nguồn photon ánh sáng đóng vai trị nguồn bơm hạt tải dư nhờ tính chất điện trường vùng nghèo tiếp xúc p-n Chương Vật lý lắng đọng hóa học plasma tăng cường 2.1 Tổng quan plasma Plasma dạng thứ tư vật chất chứa hạt trung hịa tích điện bao gồm vài hay tất hạt sau : electron, ion dương, ion âm, nguyên tử, phân tử Xét trung bình, điện tích khối plasma trung hịa có điện tích khơng cân dẫn đến hình thành điện trường mà điện trường có xu hướng làm triệt tiêu khơng cân Tổng điện tích dương điện tích âm khối plasma cân Phương pháp lắng đọng hóa học tăng cường plasma (PECVD) sử dụng phổ biến cho việc tạo màng cách điện Silicon Nitride Silicon dioxide Ưu điểm PECVD hoạt động nhiệt độ thấp so với hệ lắng đọng hóa học thơng thường (CVD) 2.2 Phóng điện phát quang khơng cân Hầu hết phóng điện phát quang sử dụng công nghiệp vi điện tử khí chịu tác động sóng điện từ chúng phóng điện phát quang khơng cân ( hay plasma lạnh), định nghĩa khí bị ion hóa phần chứa mật độ thể tích điện tích dương điện tích âm hạt ( ion electron) mật độ khác trạng thái hay kích thích hạt 2.3 Cấu trúc buồng plasma sử dụng Hình 2-2: Oxford instrument – Plasmalab80plus 10 Thiết bị Plasmalab80Plus thiết bị phủ màng dựa chế lắng đọng hóa học tăng cường plasma (PECVD) sử dụng để tạo màng SixNy-H màng SixOy-N với tiền chất N2 , NH3 , SiH , N2O Trạng thái plasma tạo nhờ vào tần số sóng điện từ RF 1MHz làm ion plasma chuyển động theo thay đổi tần số với quãng đường lớn so với RF 13,5MHz, sử dụng tần số 13,5 MHz giúp tránh bắn phá ion lên bề mặt màng 2.4 Mơ hình phản ứng chất sử dụng tạo màng Cơ chế lắng đọng PECVD coi gồm năm bước [14]: Hình 2-3: Mơ hình lắng đọng tạo màng Bước : Sự va chạm với electron sơ cấp với khí phản ứng để tạo thành ion gốc tự Bước : Liên quan tới phản ứng pha khí vận chuyển hạt phản ứng bề mặt đế Bước : Sự hấp thụ hạt phản ứng lên bề mặt đế, phản ứng với nguyên tử bề mặt đế phản ứng với mãnh hấp thụ chúng Bước : Sự hấp thụ hạt tạo thành plasma lên bề mặt đế Các hạt tạo thành cụm, tăng dần liên kết lại với thành màng Bước : Sự bay khỏi buồng phản ứng sản phẩm phụ dễ bay H & H 2O 11 Chương Tính tốn quang học 3.1 Tổng quan sóng ánh sáng Việc tính toán phản xạ (hoặc truyền qua) ánh sáng để sử dụng cho màng chống phản xạ giúp xây dựng mơ hình để ước lượng vùng cực tiểu phản xạ ứng với thông số màng (bề dày, chiết suất) Như giảm bớt thời gian thực nghiệm ta ngắm vào khoảng khảo sát định trước ứng với cực tiểu phản xạ quan tâm, sử dụng với vật liệu điện môi tạo màng khác hay loại đế khác 3.1.1 Sóng điện từ tự Trong mơi trường đồng chất khơng suy hao, sóng ánh sáng mơ tả sóng điều hịa tuần hồn với chu kỳ thời gian T  2   f (s) chu kỳ không gian   v f  2 v  (m) Để thuận tiện tính tốn, dạng phức sóng sử dụng E (r , t )  E exp[i (t  k r )] H (r , t )  H exp[i (t  k r )] với k   v  n   2   n vector sóng theo hướng truyền sóng,  bước sóng ánh sáng mơi trường lan truyền 3.1.2 Hiện tượng phân cực Sóng ánh sáng sóng ngang, giả sử với phương truyền z, sóng coi chồng chập hai sóng có phương dao động x y Tùy vào độ lệch pha  y   x hay  x   y ta có sóng phân cực thẳng, trịn trái, trịn phải, ellip Sóng ánh sáng tự nhiên khơng phân cực, ta coi chồng chập nhiều sóng phân cực thẳng 3.1.3 Cường độ ánh sáng phân cực Khái niệm cường độ sáng mang ý nghĩa lượng Dịng lượng sóng điện từ xác định vector Poynting chiều vector n phương truyền : 12 P  E  H (W / m2 ) [6] hay mật độ dòng lượng [4] Có giá trị tỉ lệ với bình phương biên độ sóng Khi sóng phân cực tổng hợp hai sóng có phương phân cực thẳng vng góc với E  Ex  E y cường độ sóng [3]: I  K E  K Ex2  E 2y  K Ex2  K E y2  I x  I y 3.1.4 Phổ xạ mặt trời Ta có phổ mật độ lượng ánh sáng mặt trời khác Hình 3-5 Hình 3-5: Phổ mật độ lượng xạ từ mặt trời [7] Ta sử dụng phổ để khảo sát số photon phản xạ lại ứng với dãi bước sóng 280nm-1150nm 3.2 Xây dựng ma trận truyền cho hệ quang học 3.2.1 Hệ số phản xạ truyền qua Trong mơ hình tính tốn cho màng, ta coi T  R  , với T R hệ số truyền qua phản xạ cường độ sáng 3.2.2 Công thức Fresnel Các hệ số Fresnel hệ số biên độ sóng phân cực thẳng mặt tiếp giáp, sử dụng ma trận truyền sử dụng cho môi trường chiết suất phức Mơi trường có chiết suất ni góc tới  i sang mơi trường n j với góc khúc xạ  j 13 Hình 3-7: Sóng ánh sáng tương tác với mặt tiếp giáp Trường hợp sóng phân cực TM[17] j i EB ( xi ) ni k x  n j k x n j cos i  ni cos  j rij    EF ( xi ) ni2 k xj  n 2j k xi n j cos i  ni cos  j tij  EF ( xi ) ni 2ni cos i  1  rij    EF ( xi ) n j n j cos  j  ni cos  j Trường hợp sóng phân cực TE rij  EB ( xi ) k xi  k xj ni cos i  n j cos  j   EF ( xi ) k xi  k xj ni cos i  n j cos  j tij  EF ( xi ) 2k xi 2ni cos i   r   ij  i j EF ( xi ) k x  k x ni cos i  n j cos  j Hệ số phản xạ R nhận từ hệ số Fresnel: R  r 3.2.3 Tương tác sóng phẳng với mơi trường Sử dụng chiết suất dạng phức mô tả dạng phức sóng mơ tả thuận lợi cho mơi trường có suy hao cường độ sáng đế Silic môi trường không suy hao màng SiNx SiOx mà ta sử dụng 3.2.4 Sự phản xạ sóng phân cực thẳng Ta sử dụng cơng thức Fresnel để khảo sát thay đổi biên độ phản xạ pha sóng phản xạ với hai loại sóng TE TM ứng với góc tới khác môi trường điện môi đẳng hướng (Code3: Brewster2.m) phù hợp với tài liệu [9] 14 3.2.5 Tính tốn với hệ màng đa lớp Ta coi quang hệ xếp tầng mặt tiếp giáp lớp Hình 3-13: a) : Xây dựng ma trận truyền qua mặt tiếp giáp (b) : Xây dựng ma trận truyền qua bề dày 3.2.5.1 Ma trận truyền cho mặt tiếp giáp Từ Hình 3-13a xây dựng ma trận truyền ứng với sóng truyền qua mặt tiếp giáp lớp chiết suất ni & n j là: Tij  tij 1 r  ij rij   3.2.5.2 Ma trận truyền cho lớp Ta có ma trận truyền ứng với lớp ni : e ik d Ti      e  i    i   ik d e   e  Thành phần pha i   2 0  ni di cos i đại lượng phức x ,i i x ,i i i i 3.2.5.3 Ma trận truyền cho quang hệ Ma trận truyền cho toàn hệ  EF ( x0 )  T110 N T120 N   EF ( xN 1 )    0N     0N    EB ( x0 )  T21 T22    Hệ số phản xạ biên độ cường độ sóng bờ âm cần tìm: EB ( x0 ) T210 N T210 N r  R  r  N EF ( x0 ) T110 N T11 15 Chương Màng đơn lớp oxit silic 4.1 Thực nghiệm màng oxit silic 4.1.1 Thiết bị sử dụng Từ phổ phản xạ thu từ đầu thu thiết bị Filmtek với nguồn phát sáng thiết bị Filmtek, chọn vật liệu danh sách vật liệu NK chương trình kèm theo máy với mơ hình khớp hàm (fitting) SCI để xuất liệu chiết suất, hệ số tắt bề dày 4.1.2 Chiết suất màng phụ thuộc điều kiện plasma 4.1.2.1 Chiết suất màng phụ thuộc tỉ lệ N2O:SiH4 SiOx-rat1 SiOx-rat4 SiOx-rat5 SiOx-rat2 SiOx-rat3 SiOx-rat7 SiOx-rat6 SiOx-rat8 SiO2 tham khao 1.70 1.65 n 1.60 1.55 1.50 1.45 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Wavelengh (nm) Chiết suất (bước sóng 600nm) Hình 4-2: Chiết suất thay đổi theo tỉ lệ khí N2O:SiH4 điều kiện nhiệt độ đế 3000C, áp suất buồng 1000mTorr, công suất RF 20W Chiết suất theo tỉ lệ khí 1.65 1.6 1.55 1.5 1.45 10 20 30 40 50 60 70 80 N2O:SiH4 Hình 4-3: Khi tăng tỉ lệ khí tiền chất N2O:SiH4 chiết suất có xu hướng giảm, điều kiện nhiệt độ đế 3000C, áp suất buồng 1000mTorr, công suất RF 20W 16 Khi tỉ lệ khí phản ứng N2O : SiH tăng chiết suất giảm (xem Hình 4-3) chiếm tỉ lệ lớn gốc O so với gốc SiH m tạo thuận lợi cho tạo liên kết Si-O (xem 2.4 ) Khi tỉ lệ khí thấp, chiết suất màng cao ứng với nồng độ Si màng cao [15] Với màng SiOx- PECVD ta phủ bên màng SiN cần chiết suất thấp tiến tới chiết suất SiO2 4.1.2.2 Chiết suất màng phụ thuộc vào áp suất buồng SiOxpres9(500mTorr) SiOxpres10(1300mTorr) SiOxpres13(800mTorr) SiOxpres11(1500mTorr) SiOxpres12(1800mTorr) SiO2 tham khao 1.56 1.54 1.52 n 1.50 1.48 1.46 1.44 1.42 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 wavelength (nm) Hình 4-5:Chiết suất màng SiOx thay đổi theo điều kiện áp suất buồng Chiết suất Chiết suất theo áp suất buồng 1.5 1.493 1.48 1.46 1.484 1.489 1.471 1.46 1.44 500 1000 1500 Áp suất buồng (mTorr) 2000 Hình 4-6: Chiết suất có xu hướng giảm áp suất buồng tăng Tăng áp suất chiết suất giảm Với áp suất tồn phần lớn việc hình thành plasma khó khăn mật độ hạt pha khí lớn [14], với chiếm ưu tỉ lệ N2O so với SiH4 thời gian lưu trú gốc phản ứng màng lớn 17 nên liên kết Si-O chiếm ưu tương ứng với giảm chiết suất [5] 4.2 Tối ưu hóa chống phản xạ 4.2.1 Tính tốn Hệ số phản xạ tồn phần xét theo tồn bước sóng tương ứng với phổ xạ mặt trời chiếu tới cho kết tỉ lệ số photon phản xạ lại đơn vị diện tích theo đơn vị 1 2 thời gian ( photon.s m ) bề dày màng xác định 1150 nm R flux   RS ( ) SI ( ) d E ( ) 280 nm 1150 nm  280 nm SI ( ) d E ( ) Với RS ( ) hệ số phản xạ tính tốn màng đa lớp (nhận từ file code 4: Check_transfermatrix_type2.m) Tử số ứng với số photon phản xạ lại, mẫu số số photon tới Ta tìm giá trị nhỏ hệ số với bề dày khác với trường hợp chiếu vng góc 4.2.2 So sánh phương pháp Tính tốn cơng thức phổ (Hình 4-9) hệ số phản xạ R theo phương pháp ma trận đưa mục 3.2 với tài liệu [9,10,21] trùng khớp Như phương pháp phù hợp cho tính tốn với màng đa lớp kiểm chứng thực nghiệm Hình 4-9:Phổ hệ số phản xạ phổ phản xạ màng SiN – PECVD 18 Phổ phản xạ R theo bước sóng mẫu thực nghiệm màng đơn lớp gần khớp với tính tốn Hình 4-11: So sánh phổ Reflection % mẫu SiO2pres12 bề dày 343,92nm 4.2.3 Tính tốn tối ưu Để tìm bề dày có số photon phản xạ lại ta tiến hành khảo sát số photon phản xạ lại theo tất bề dày , ta sử dụng file Code8: test1layer_type2.m để khảo sát Phổ mật độ lượng mặt trời dùng Globaltilt: AM 1.5 Global (Hình 3-5) với hàm locchunglambda.m (code 6) hàm noisuy.m (code 7) giúp cho liệu mịn thuận lợi cho tính R tồn phần (mục 4.2.1) Hình 4-14: Sự phản xạ bước sóng tối ưu bề dày màng SiO2 cho việc chống phản xạ Độ phản xạ R% màng đơn lớp SiOx thấp 15% cao độ phản xạ 9% trường hợp màng đơn lớp SiNx Với phổ lượng tới khác R% cực tiểu khác 19 Chương Màng hai lớp chống phản xạ cho pin mặt trời 5.1 Lựa chọn chiết suất tính tốn tối ưu Ta sử dụng hai vật liệu Silicon nitride tạo từ máy PECVD plasmalab 80plus từ nghiên cứu trước nhóm, phủ lớp chống phản xạ SiNx (Ty le 25:50, 1000mtorr, 300 C, 20W.) phịng thí nghiệm LNT mẫu SiO2pres12 (xem Bảng 3) Ta phủ màng SiO2 chiết suất vật liệu thấp so với Silicon nitride 5.1.1 Tính tốn tối ưu Ta sử dụng file Code 9: R_2layer_type2.m để tìm bề dày tối ưu cho trường hợp hai màng SiOx SiNx nêu trên.Ta chọn phổ AM 1.5 Global, bước sóng khảo sát 280-1150nm bề dày tương ứng hai màng 0-1000nm, bước nhảy cho khoảng bề dày khảo sát hiệu số hai bề dày liên tiếp chọn Kết cho ta tỉ lệ photon phản xạ lại với bề dày khác Hình 5-2 Hình 5-2: Tỉ lệ photon phản xạ lại với phổ chiếu tới AM 1.5 Global theo bề dày khác (d1 bề dầy lớp SiOx, d2 bề dầy lớp SiNx) 20 Hình 5-4: Phổ phản xạ tính tốn ứng với Bề dày tối ưu d_SiO: 84 nm, d_SiN: 64 nm Tỉ lệ số photon phản xạ lại 6.95% 5.1.2 Số liệu thực nghiệm Bảng 4: Báo cáo màng chống phản xạ hai lớp Mẫu layer_1 layer_2 SiNx (Times: 4min) SiO2 (Times: 1min) Bề dày (nm) SiH4 NH3 SiH4 N2O L1 L2 25 50 15 700 79.26 57.22 25 50 20 700 81.86 61.53 5.1.3 Đánh giá so sánh Phổ phản xạ R theo bước sóng mẫu thực nghiệm màng hai lớp (Bảng 4: mẫu M1&M2) gần khớp với tính tốn cal2(SiN:79.26: SiO: 57.22) M1(SiN:79.26-SiO:57.22) cal(SiN:79.26: SiO: 57.22) 60 Reflection (%) 50 40 30 20 10 200 400 600 800 1000 1200 wavelenght (nm) Hình 5-5: Phổ hệ số phản xạ R% mẫu M1 Khi ý tới chiết suất c-Si phức đường tính tốn có khác R% = 8.23 21 cal2(SiN:81.86: SiO: 61.53) M2(SiN:81.86-SiO:61.53) cal(SiN:81.86: SiO: 61.53) 60 50 Reflection (%) 40 30 20 10 200 400 600 800 1000 1200 wavelenght (nm) Hình 5-6: Phổ hệ số phản xạ R% mẫu M2 Khi ý tới chiết suất c-Si phức đường tính tốn có khác R% = 8.38 Hình 5-7: Sự dịch chuyển đáy phổ hệ số phản xạ R Để chọn đáy phổ R% bước sóng ta sử dụng liệu bề dày nhận từ Hình 5-7 Giao diện Guide tạo để hỗ trợ khảo sát thực nghiệm với liệu chiết suất (thực phức) phổ mật độ lượng nhập vào từ dạng tập tin *.xls 22 Kết luận hướng phát triển Tối ưu hóa chống phản xạ bề mặt tế bào quang điện lớp tiếp xúc p-n xem xét với phổ mật độ lượng phổ mặt trời nghiêng góc chiếu bề dày gấp 1,5 lần so với phương thẳng đứng (Global tilt AM 1.5) cực tiểu hóa số photon hấp thụ chuyển hóa thành dịng quang điện phản xạ lại ứng với trường hợp chiếu vng góc Sử dụng hai vật liệu silicon nitride silicon oxide tạo từ máy PECVD để tạo màng điện mơi chống phản xạ Ta nhận nhiều chiết suất màng ứng với điều kiện phủ màng khác Việc tính tốn tối ưu hóa xác định cho mẫu vật liệu silicon nitride silicon dioxide nêu mục 5.1 Phương pháp ma trận truyền sử dụng để dự đoán khoảng bề dày cần đạt thực nghiệm cho màng chống phản xạ đơn lớp đa lớp Với trường hợp màng đơn lớp sử dụng màng silicon nitride bề dày tối ưu chống phản xạ với trường hợp chiếu vng góc 80 nm độ phản xạ 9%, màng đơn lớp chống phản xạ silicon dioxide 110 nm với độ phản xạ 15% Với trường hợp sử dụng màng chống phản xạ hai lớp, theo tương tác sóng ánh sáng mặt phân cách nêu mục 3.2.4 silicon dioxide phủ bên màng silicon nitride, bề dày tối ưu chọn d_SiO: 84 nm, d_SiN: 64 nm, tỉ lệ số photon phản xạ lại 6.95% Qua khảo sát với mẫu hai lớp bề dày khác (mục 5.2) nhận thấy phương pháp ma trận truyền cho kết phù hợp với thực nghiệm màng hai lớp hình dạng phổ hệ số phản xạ, tương đối phổ hệ số phản xạ tính tốn phổ thực nghiệm tương đồng, đặc biệt quan tâm đáy phổ phản ánh cực tiểu phản xạ tác dụng khoảng bước sóng tính tốn thực nghiệm gần (trong đo đạc bề dày có sai số) Phương pháp ma trận truyền ta vận dụng cho chiết suất màng silicon nitride silicon dioxide tạo từ máy PECVD ứng với chiết suất khác với góc khác với số lần ánh sáng đập vào lớp tiếp giáp nhiều (trong trường hợp pin lượng mặt trời đơn tinh thể có xử lý tạo nhám bề mặt kim tự tháp phân bố ngẫu nhiên) 23 sử dụng cho màng nhiều lớp màng có chiết suất tăng theo độ sâu phủ từ máy PECVD ... NANO NGUYỄN ĐÌNH NGHĨA NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ BẰNG VẬT LIỆU Si3Nx SiOx DÙNG CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành :Vật liệu Linh kiện Nanơ (Chun ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN... văn “NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ BẰNG VẬT LIỆU SiNx SiOx DÙNG CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” sử dụng hai vật liệu silic nitrit (silicon nitride) oxit silic (silicon dioxide) chế tạo phương... giúp cho liệu mịn thuận lợi cho tính R tồn phần (mục 4.2.1) Hình 4-14: Sự phản xạ bước sóng tối ưu bề dày màng SiO2 cho việc chống phản xạ Độ phản xạ R% màng đơn lớp SiOx thấp 15% cao độ phản xạ