Nghiên cứu tối ưu điện cực điểm mặt sau của pin năng lượng mặt trời dựa trên đế silic đa tinh thể

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN ĐẶNG BẢO ÂN NGHIÊN CỨU TỐI ƯU ĐIỆN CỰC ĐIỂM MẶT SAU CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DỰA TRÊN ĐẾ SILIC ĐA TINH THỂ Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 604417 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh - 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN ĐẶNG BẢO ÂN NGHIÊN CỨU TỐI ƯU ĐIỆN CỰC ĐIỂM MẶT SAU CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DỰA TRÊN ĐẾ SILIC ĐA TINH THỂ Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 604417 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN TRẦN THUẬT Tp Hồ Chí Minh - 2013 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Phịng Thí nghiệm Cơng nghệ Nano Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Cán hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TRẦN THUẬT Cán chấm nhận xét 1: TS ĐINH SƠN THẠCH Cán chấm nhận xét 2: TS HUỲNH QUANG LINH Luận văn bảo vệ Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh ngày 02 tháng 08 năm 2013 Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS TS CẨN VĂN BÉ PGS TS TRẦN MINH THÁI TS HUỲNH QUANG LINH TS ĐINH SƠN THẠCH TS NGUYỄN TRẦN THUẬT Xác nhận Chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN ĐẶNG BẢO ÂN MSHV: 11124620 Ngày, tháng, năm sinh: 27/02/1989 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 604417 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU TỐI ƯU ĐIỆN CỰC ĐIỂM MẶT SAU CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DỰA TRÊN ĐẾ SILIC ĐA TINH THỂ II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: • Tìm hiểu sở lý thuyết mơ hình điện cực điểm mặt sau pin lượng mặt trời • Nghiên cứu tối ưu điện cực điểm mặt sau pin mặt trời dựa đế UMG-Si • Chế tạo điện cực điểm mặt sau phương pháp khắc chọn lọc II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2013 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN TRẦN THUẬT Tp HCM, ngày 02 tháng 08 năm 2013 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG Lời cảm ơn Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến thầy hướng dẫn TS Nguyễn Trần Thuật, Trung tâm Nano Năng lượng – Đại học Quốc gia Hà Nội - tận tình hướng dẫn, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho thực luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy, cô Bộ môn Vật lý Kỹ thuật Y sinh, Khoa Khoa học Ứng dụng, Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, truyền thụ kiến thức khoa học sở suốt trình học, giúp tiếp cận nghiên cứu cách dễ dàng Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Vật lý – Đại học Sư phạm Tp Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi công tác để tơi hồn thành khóa học Tơi xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám đốc Phịng Thí nghiệm Công nghệ Nano; TS Nguyễn Hồng Quang, Viện nghiên cứu NORUT Narvik AS, Na Uy thành viên nhóm nghiên cứu Solar Cells giúp đỡ tơi q trình hồn thành luận văn Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn gia đình tạo điều kiện, động viên giúp vững tâm tập trung học tập hoàn thành luận văn Tp HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2013 Tác giả Trần Đặng Bảo Ân Tóm tắt Việc áp dụng mơ hình giải tích điện cực điểm mặt sau pin lượng mặt trời dựa đế silic đa tinh thể làm giảm vận tốc tái hợp mặt sau tăng hiệu suất chuyển đổi Tuy nhiên, giảm tỉ lệ phủ diện tích điện cực mặt sau làm tăng điện trở nối tiếp vùng đế Trong đề tài này, mơ hình giải tích điện trở vùng đế, vận tốc tái hợp bề mặt, mật độ dòng bão hòa kết hợp với phương pháp giải số gần phương trình mật độ dịng-thế sử dụng để tối ưu mơ hình điện cực điểm mặt sau pin mặt trời đựa đế UMG-Si Từ kết nghiên cứu tối ưu, chế tạo thành công điện cực điểm mặt sau pin lượng mặt trời phương pháp khắc chọn lọc Abstract The analytical model for locally contacted rear surface solar cells based on multi-crystalline silicon was applied in order to reduce the recombination losses at the rear side and to increase the conversion efficiency of the device However, the reduction of the metallization fraction leads to increase losses due to the series resistance In this paper, the analytical model of the solar cell’s electrical parameters, such as the base resistance, the effective recombination velocity and the base saturation current density combining with the numerical method of the current density-voltage equation, are studied for deducing the optimal rear side point contact structure of the upgraded metallurgical grade silicon (UMG-Si) based solar cells From the optimal results, we applied successfully the point structure for rear side contact by using selective etching paste Lời cam đoan Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn TS Nguyễn Trần Thuật Các số liệu, hình vẽ, đồ thị bảng biểu liên quan đến kết thu luận văn hoàn toàn trung thực, khách quan chưa cơng bố cơng trình khoa học mà không tham gia Mục lục Danh mục chữ viết tắt vii Danh mục ký hiệu viii Lời mở đầu x TỔNG QUAN MƠ HÌNH GIẢI TÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA ĐIỆN CỰC ĐIỂM MẶT SAU CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1 Mơ hình hai diode pin lượng mặt trời 10 2.2 Mơ hình giải tích vận tốc tái hợp bề mặt hiệu dụng 13 2.3 2.2.1 Mơ hình giải tích vận tốc tái hợp bề mặt 13 2.2.2 Mơ hình điện trở nối tiếp vùng đế 20 Phương pháp tối ưu mơ hình điện cực điểm mặt sau 25 2.3.1 Mơ hình mơ 25 2.3.2 Phương pháp tối ưu mơ hình điện cực điểm mặt sau 27 TỐI ƯU ĐIỆN CỰC ĐIỂM MẶT SAU CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3.1 34 Điện trở nối tiếp vùng đế 34 i 3.2 So sánh phương pháp sử dụng mơ hình giải tích phương pháp phần tử hữu hạn 36 3.3 Áp dụng mô hình điện cực điểm vào pin lượng mặt trời dựa đế UMG-Si 39 3.3.1 Mật độ dòng bão hòa diode 39 3.3.2 Đường đặc trưng mật độ dòng 41 3.4 Mật độ dòng ngắn mạch hở mạch 44 3.5 Hệ số lấp đầy hiệu suất chuyển đổi pin 46 3.5.1 Sự phụ thuộc hệ số lấp đầy hệ số chuyển đổi vào kích thước điện cực 46 3.5.2 Sự thay đổi hiệu suất vào vật liệu sử dụng làm điện môi 50 3.6 Quy trình chế tạo điện cực điểm mặt sau phương pháp khắc chọn lọc 54 3.6.1 Quy trình chế tạo pin lượng mặt trời 54 3.6.2 Quy trình chế tạo điện cực điểm mặt sau phương pháp khắc chọn lọc 56 Kết luận hướng phát triển đề tài 61 Tài liệu tham khảo 63 Phụ lục 71 ii Danh mục hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo pin lượng mặt trời đơn nối 1.2 Phổ xạ AM0, AM1.5 Global AM1.5 Direct 1.3 Các chế mát pin lượng mặt trời 1.4 Định luật Liebig áp dụng cho pin mặt trời [14] 2.1 Mô hình diode pin lượng mặt trời lý tưởng 10 2.2 Mơ hình hai diode pin lượng mặt trời thực 2.3 Đường đặc trưng mật độ dòng-thế J − V pin lượng mặt 11 trời 12 2.4 Sơ đồ cấu trúc pin lượng mặt trời với lớp thụ động hóa mặt sau (a) điện cực dạng (b) điện cực điểm [41, pp 30] 14 2.5 Mối liên hệ vận tốc tái hợp bề mặt bán kính điện cực điểm với f = 1%, 10% 20% 19 2.6 Dòng điện điện cực điểm mặt sau 22 2.7 Sự phụ thuộc điện trở nối tiếp vùng đế Rseries2 /ρ.W vào tỉ số Lp /W điện cực điểm dạng tròn từ giới hạn khoảng cách nhỏ đến giới hạn khoảng cách lớn 23 2.8 Cấu trúc điện cực điểm pin lượng mặt trời 26 2.9 Sơ đồ thuật toán để giải phương trình đặc trưng J − V 32 3.1 Khi giảm tỉ lệ diện tích phủ điện cực mặt sau (a) điện trở nối tiếp tăng (b) vận tốc tái hợp bề mặt giảm 35 iii PHỤ LỤC bán dẫn loại n ∆pN ∆nP độ lệch mật độ hạt mang điện thiểu số, τn τp thời gian sống lỗ trống điện tử Phương trình (3.16) (3.17) viết thành: Dp d2 ∆pN ∆pN = −G(x) − d x2 τp (3.20) Dn d2 ∆nP ∆nP = −G(x) − d x2 τn (3.21) bán dẫn loại n bán dẫn loại p 74 Phụ lục MƠ HÌNH GIẢI TÍCH VẬN TỐC TÁI HỢP BỀ MẶT CỦA FISCHER VÀ PLAGWITZ Mật độ dòng bão hòa đế xác định chiều dài khuếch tán hiệu dụng Ldif f đế, biểu diễn phương trình (2.7) Chiều dài khuếch tán hiệu dụng xác định việc giải phương trình mật độ dịng khuếch tán hạt thiểu số khơng chiếu sáng khơng có phát sinh hạt mang điện G = 0: ∇2 n(r) − n (r ) =0 L2b (3.22) Trong trường hợp chiều dài khuếch tán khối lớn nhiều so với bề dày đế Lef f /W → ∞, phương trình (3.22) trở thành phương trình Laplace: ∇2 n(r) = (3.23) Một phương pháp giải số cần thiết để giải phương trình (3.23) với điều kiện biên có trước mật độ dịng pin mặt trời giải theo mơ hình hai chiều ba chiều Mơ hình lý thuyết mật độ dịng bão hịa J0b hàm thông số Spass , Smet , f Lp Cần phải xác định hình dạng điện cực điểm mặt sau nh hng n hiu sut chuyn i ca pin Schă ofthaler giới thiệu định luật khoảng cách, cho phép tính tốn mật độ dịng bão hịa điện cực điểm với điều kiện Ldif f W [55], PHỤ LỤC [41, pp 31]: • Trong giới hạn kích thước nhỏ (small-scale limit), khoảng cách điện cực nhỏ so với bề dày đế, Lp W Mật độ bề mặt sau đồng mật độ dòng bão hòa đế xác định vận tốc tái hợp mặt sau vùng thụ động hóa bề mặt vùng điện cực điểm, Sef f = f Smet + (1 − f )Spass • Trong giới hạn kích thước lớn (large-scale limit), khoảng cách điện cực lớn so với bề dày đế (Lp , a dạng Lp , 2r W điện cực W điện cực dạng điện cực điểm) mật độ dòng bão hòa xác định: J0b = J0b,met + J0b,pass Mơ hình vận tốc tái hợp bề mặt khoảng cách nhỏ (small-scale) Nếu chiều dài khuếch tán lớn, Ldif f W phương trình (2.6) viết lại: J0b = qDn0 S D + SW (3.24) Kết hợp phương trình (2.8) (3.24) tìm vận tốc tái hợp bề mặt vùng điện cực điểm: Scont = D RS,back,dark D + −W ρ f Smet −1 (3.25) Giá trị vận tốc tái hợp bề mặt vùng điện cực điểm Scont phụ thuộc vào hình dạng cấu trúc điện cực điểm thơng qua điện trở nối tiếp RS,back,dark Độ xác phương pháp tốt so với ±5% so sánh với mật độ dòng bão hòa xác định từ phương pháp phân tích Fourier ba chiều Rau [19, pp 27-28] Phương trình (2.8) xét đến trình tái hợp vùng điện cực điểm Tại vùng thụ động hóa bề mặt tồn vận tốc tái hợp bề mặt, Spass > Để thu vận tốc tái hợp bề mặt hiệu dụng tái hợp điện cực 76 PHỤ LỤC điểm cần ý Về mặt trực quan cộng thêm (1 − f )Spass vào biểu thức vận tốc tái hợp bề mặt phương trình (3.29) Điều giới hạn phạm vi nhỏ (small-scale), S3D,cont = Smet f Vậy vận tốc tái hợp bề mặt hiệu dụng khoảng cách nhỏ: Scont = D RS,back,dark D + −W ρ f Smet −1 + (1 − f )Spass (3.26) Nếu xét trường hợp mà có giới hạn phạm vi lớn (large scale limit), theo Fischer, vận tốc tái hợp bề mặt có dạng: S3D = Scont,3D + Spass (1 − f ) (3.27) Vậy biểu thức vận tốc tái hợp bề mặt trường hợp có giới hạn phạm vi lớn: S3D,F ischer D = W RS , back, dark D + −1 ρW f W Smet −1 + Spass 1−f (3.28) Như vậy, mơ hình Fischer giả sử bề dày khuếch khối vô hạn Spass Smet vùng phát điện trở gần khơng đáng kể mặt gần mặt đẳng Mơ hình vận tốc tái hợp bề mặt khoảng cách lớn (large-scale) Plagwitz Brendel phát triển mơ hình Fischer mơ hình hai diode Một diode cho vùng thụ động hóa bề mặt điện cực diode cho vùng tiếp xúc kim loại Phương pháp áp dụng cho trường hợp khoảng cách điện cực điểm lớn so với bề dày tế bào pin mặt trời Hình 3.20(a) bao gồm vùng phát mặt điện cực điểm nằm Tất các điện cực giả sử không nối với Đối với trường hợp Smet nmet > điện cực điểm Spass điện cực điểm 77 PHỤ LỤC Hình 3.20: Sơ đồ mơ hình hai diode với hình dạng tiếp xúc mặt sau khác nhau.(a) điện cực điểm kim loại với vận tốc tái hợp bề mặt Smet điểm tiếp xúc khơng có tái hợp Spass chúng (b) cấu trúc bù hình có vận tốc tái hợp bề mặt Spass , giả sử Smet = Dịng bão hịa tìm biểu thức (2.8): J0,3D,a = qDn0 RS,back,dark D + ρ f Smet −1 (3.29) Trong hình 3.20(b) biểu diễn cấu trúc bù với điện cực điểm lỗ tròn mặt emitter mặt Phần diện tích vùng thụ động hóa bề mặt (1 − f ) Vận tốc tái hợp giả sử Spass npass > Tại lỗ, giả sử vận tốc tái hợp Spass = Plagwitz Brendel giới ˜S,back,dark với thiệu điện trở nối tiếp cấu trúc bù khơng chiếu sáng R cấu trúc có vùng thụ động hóa bề mặt Chúng ta tìm cơng thức dịng bão hịa vùng thụ động hóa bề mặt: J0,3D,b = qDn0 ˜S,back,dark R D + ρ (1 − f )Smet −1 (3.30) ˜S,back,dark tính tương tự Điện trở vùng thụ động hóa bề mặt R trường hợp RS,back,dark Trong trường hợp phạm vi nhỏ Lp ˜S,back,dark = ρW trường hợp Lp W thì: R ˜S,back,dark R = ρW − ρL2p arctan 78 2πr 2w r exp W Lp W (3.31) PHỤ LỤC Đối với trường hợp khoảng cách điện cực điểm lớn, thì: ˜S,back,dark = R ρW 1−f (3.32) Kết hợp biểu thức (3.29) (3.30) ta tìm dịng bão hịa: J0,3D = Dn0 RS,back,dark D + ρ f Smet −1 − ˜S,back,dark R D + ρ (1 − f ) Smet −1 (3.33) Kết hợp biểu thức (3.24) (3.33), ta tìm vận tốc tái hợp bề mặt: D S3D,P &D = RS,back,dark D + ρ f Smet −1 − ˜S,back,dark R D + ρ (1 − f ) Smet −1 −1 −W (3.34) Hình 3.21 thể cấu trúc pin lượng mặt trời với điện cực mặt sau có dạng Vận tốc tái hợp bề mặt (SRV) vùng điện cực Smet với f = a/Lp Spass vận tốc tái hợp bề mặt vùng thụ động hóa bề mặt điện cực với (1 − f ) = (Lp − a)/Lp Nếu bỏ tái hợp khối (Ldif f W ), tổng mật độ dòng tái hợp đế tổng mật độ dòng tái hợp điện cực mật độ dòng vùng thụ động hóa bề mặt Do mật độ dịng tổng hợp có giá trị: J0b = J0b,f + J0b,(1−f ) (3.35) Các loại điện cực mặt sau dạng thanh, điểm hay hình vng biểu thức vận tốc tái hợp bề mặt mà Plagwitz xây dựng dựa mơ hình hai diode giống loại điện cực Tuy nhiên giá trị vận ˜S,back,dark có tốc tái hợp khác điện trở nối tiếp RS,back,dark , R giá trị khác tùy thuộc vào mơ hình cụ thể 79 PHỤ LỤC Hình 3.21: Mơ hình pin lượng mặt trời với điện cực dạng mặt sau (a) SRV điện cực Smet > Spass > vùng thụ động hóa bề mặt điện cực (b) Giống hình (a) SRV vùng thụ động hóa bề mặt Spass = (c) SRV vùng điện cực, Smet = [41, pp 35] 80 Phụ lục MẬT ĐỘ PHA TẠP, THỜI GIAN SỐNG VÀ CHIỀU DÀI KHUẾCH TÁN HIỆU DỤNG Độ linh động hạt mang điện tính từ biểu thức [21]: µ= µmin Tnβ + (µmax − µmin ) Tnβ 1+ NA Nref Tnβ αTnβ (3.36) Bảng 3.5 thể thơng số sử dụng để tính độ linh động hạt mang điện đa số hạt mang điện thiểu số Bảng 3.5: Các thông số dùng để tính độ linh động electron lỗ trống đế silic loại p [21] Tn µmax µmin Nref α β1 β2 β3 β4 Đơn vị Hạt đa số Hạt thiểu số 0.9938 0.9938 470 1417 cm /sV cm2 /sV cm−3 37.4 160 17 2.82 × 10 5.60 × 1016 0.642 0.647 -0.570 -0.570 -2.230 -2.230 2.40 2.40 -0.146 -0.146 PHỤ LỤC Mật độ hạt mang điện tính từ biểu thức: log NA 1cm−3 Cn log = n=0 ρ 1Ωcm n (3.37) , với thông số C0 = 16.173, C1 = −1.084, C2 = 0.0673, C3 = −0.0324 C4 = 0.0066 Hằng số khuếch tán hạt mang điện thiểu số: D = µkB T /q, (3.38) với µ tính từ 3.36 Để tính thời gian sống hạt mang điện thiểu số, áp dụng biểu thức mối liên hệ mật độ oxy xem kẽ [Oi ] (interstitial oxygen concentration)và thời gian sống τ [69] τ = × 7.675 × 1045 × 1µs NA 1cm−3 −0.824 × [Oi ] 1cm−3 , (3.39) với [Oi ] = × 1017 Từ phương trình 3.38 3.39, giá trị chiều dài khuếch tán hạt mang điện thiểu số tính theo biểu thức: Ldif f = √ 82 D × τ (3.40) Phụ lục TÁI HỢP TRONG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Định nghĩa Tái hợp bán dẫn dịch chuyển điện tử từ vùng dẫn xuống vùng hóa trị, thể giống hủy cặp điện tử-lỗ trống Trong bán dẫn không chiếu sáng trạng thái cân nhiệt, mật độ hạt mang điện tự số, n = n0 điện tử vùng dẫn p = p0 lỗ trống vùng hóa trị Khi có cân phát sinh nhiệt tái hợp n0 p0 = n2i,ef f , ni,ef f = 9.65 × 109 cm−3 × exp (∆Egap ) /2kT mà mật độ hạt mang điện nội hiệu dụng vật liệu silic; kT lượng nhiệt ni = 9.65 × 109 cm−3 mật độ hạt mang điện nội [47] Đối với bán dẫn loại p với mật độ pha tạp NA = × 1016 cm−3 mật độ hạt mang điện nội dụng ni,ef f = 1.05 × 1010 cm−3 [47] Giả sử nguyên tử pha tạp ion hóa tồn bộ, ta có: n0 = ND , p0 = p0 = NA , n0 = n2i,ef f ND n2i,ef f NA bán dẫn loại n; (3.41) bán dẫn loại p Khi xảy tái hợp, cặp điện tử-lỗ trống bị hủy với tốc độ: R (∆n(t), n0 , p0 ) = − ∂ ∆n(t) ∂t (3.42) PHỤ LỤC Tái hợp bán dẫn bao gồm tái hợp khối tái hợp bề mặt Quá trình tái hợp bán dẫn thể hình 3.22 Hình 3.22: Các trình tái hợp bán dẫn Tái hợp khối Trong pin lượng mặt trời, từ khối (bulk ) dùng cho vùng đế, nơi mà gra-đi-ăng điện có giá trị 0, ∇Ψ = Tái hợp khối bên bao gồm tái hợp xạ, tái hợp Auger Ngoài ra, nguyên tử tạp chất khuyết tật mạng tinh thể làm xuất nhiều mức lượng bên vùng cấm bán dẫn Tái hợp mức lượng gọi tái hợp Shockley-Read-Hall (SHR) Thời gian sống hiệu dụng hạt mang điện khối (effective bulk carrier lifetime) tính từ thời gian sống tái hợp xạ τrad , thời gian sống Auger τAuger thời gian sống SHR τSHR theo biểu thức [48]: τb = τrad + τAuger 84 + τSHR (3.43) PHỤ LỤC Tái hợp xạ Tái hợp xạ (radiative recombination) ngược với trình tạo hạt mang điện hấp thụ ánh sáng Sự biến cặp điện tử-lỗ trống xạ photon Tuy nhiên, bán dẫn có vùng cấm xiên (indirect semiconductor ) có thêm phonon Do khả xảy tái hợp xạ thấp so với bán dẫn có vùng cấm thẳng Tốc độ tái hợp trường hợp không chiếu sáng: Rrad = B np − n2i , (3.44) hệ số phụ thuộc nhiệt độ B xác định Trupke [49] Đối với silic nhiệt độ phịng, B = 4.73 × 10−15 cm3 s−1 tìm thấy Thời gian sống trình tái hợp xạ τrad xác định: τrad = B (n0 + p0 + ∆n) (3.45) Tái hợp Auger Tái hợp Auger tái hợp nội thứ hai tái hợp khối bán dẫn Năng lượng sinh không xạ photon mà truyền tới cho hạt thứ ba, điện tử vùng dẫn (quá trình eeh) lỗ trống vùng hóa trị (quá trình ehh) Tốc độ tái hợp tỉ lệ với mật độ hạt tái hợp (involced carrier ) Trong trường hợp lý tưởng, hạt mang điện không tương tác với hạt tự do: RAuger,ideal = Cn (n2 p − n2i n0 ) + Cp (np2 − n2i p0 ), (3.46) với Cn Cp hệ số Auger trình eeh trình ehh Dziewior Schmid xác định hệ số Auger nhiệt độ 300K Cp = 9.9 × 10−32 cm6 s−1 Cn = 2.8 × 10− 32cm6 s−1 [50] Sau này, Kerr Cuevas tìm thông số tái hợp Auger bán dẫn loại n p dựa vào việc đo thời gian sống khối mật độ pha tạp 1013 cm−3 1020 cm−3 [51]: RAuger = np 1.8 × 10−24 n00.65 + 0.6 × 10−25 p00.65 + 3.0 × 10−27 ∆n0.8 85 (3.47) PHỤ LỤC Tái hợp khiếm khuyết Những khiếm khuyết mạng tinh thể, chẳng hạn sai hỏng tạp chất gây mức lượng bên vùng cấm lượng Sự xuất mức lượng làm tăng trình tái hợp Mơ hình thống kê tốc độ tái hợp phát triển Shockley Read [52] Hall [53] khiếm khuyết mức lượng Et mật độ Nt Tốc độ tái hợp bề mặt Shockley-Read-Hall (SHR): RRSH = (np − n2i , τn0 (p + p1 ) + τp0 (n + n1 ) (3.48) với số thời gian: τn0 = τ p0 = điện tử; Nt σn υth,n (3.49) lỗ trống, Nt σp υth,p mật độ trạng thái: n1 = ni exp p1 = ni exp Et − Ei kT Ei − Et kT điện tử; (3.50) lỗ trống, Ei mức Fermi nội Vận tốc khuếch tán nhiệt υth = 8kT /πm∗th , m∗th khối lượng hiệu dụng Tại 300K, mth,n = 0.28m0 mth,p = 0.41m0 ∗ với m0 khối lượng nghỉ điện tử [54] Do υth,n = 2.0 × 107 cm/s ∗ υth,n = 1.7 × 107 cm/s Thời gian sống SHR: τSHR = τp0 (n0 + n1 + ∆n) + τn0 (p0 + p1 + ∆n) p0 + n0 + ∆ n (3.51) Tái hợp bề mặt Tái hợp bề mặt xảy vùng thụ động hóa bề mặt (passivated ) vùng khơng thụ động hóa bề mặt (non-passivated ) Tính tuần hồn 86 PHỤ LỤC mạng tinh thể bị giới hạn bề mặt từ dẫn đến hình thành vùng lượng liên kết (bonding-energy band ) phản liên kết (antibonding-energy band ) Các nguyên tử silic bề mặt không liên kết hồn tồn với bốn ngn tử silic dẫn đến việc tạo mức lượng tái hợp (recombination-active energy level ) bên vùng cấm Tốc độ tái hợp bề mặt xác định: EC Rit = (ns ps − n2i ) EV σ −1 (E )(n υth Dit (E ) dE , −1 s + n1 (E )) + σ (E )(ps + p1 (E )) (3.52) ns ps mật độ điện tử lỗ trống bề mặt Mật độ trạng thái, Dit (E ) hàm phân bố trạng thái bề mặt Nếu dựa vào phương trình (3.52) có hai cách để giảm tái hợp bề mặt: • Giảm DS : cách bão hòa liên kết treo (dangling bond ) nguyên tử hydro oxy Hiệu ứng xảy ta thụ động hóa bề mặt với lớp điện mơi chẳng hạn SiO2 SiNx silic hydro hóa • Giảm ns ps : cách tạo điện trường với lớp bề mặt pha tạp cao BSF (back surface field ) sử dụng lớp thụ động hóa bề mặt hiệu ứng trường (field effect passivation) 87 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG BẢN THÂN Họ tên: TRẦN ĐẶNG BẢO ÂN Ngày, tháng, năm sinh: 27/02/1989 Nơi sinh: Long An Địa liên lạc: C8/23, Ấp 3, Xã Tân Kiên, Huyện Bình Chánh, Tp Hồ Chí Minh QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO STT Thời gian Nơi học Ngành học 2007 - 2011 Đại học Sư phạm Tp HCM Đại học Xếp loại 7.82 - Khá Sư phạm Vật lý 2011 - 2013 Đại học Bách khoa Thạc sĩ 8.56 - Giỏi - Đại học Quốc gia Tp HCM Vật lý Kỹ thuật Q TRÌNH CƠNG TÁC STT Thời gian Nghề nghiệp 09/2011 - 10/2011 Giáo viên Nơi công tác Trường THPT Chuyên NKTDTT Nguyễn Thị Định 11/2011 - Giảng viên 88 Đại học Sư phạm Tp HCM ... điện cực điểm mặt sau pin lượng dựa đế silic đa tinh thể Ý nghĩa đề tài nghiên cứu tạo loại pin lượng mặt trời sử dụng điện cực điểm mặt sau dựa đế silic đa tinh thể có hiệu suất cao so với pin. .. TÀI: NGHIÊN CỨU TỐI ƯU ĐIỆN CỰC ĐIỂM MẶT SAU CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DỰA TRÊN ĐẾ SILIC ĐA TINH THỂ II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: • Tìm hiểu sở lý thuyết mơ hình điện cực điểm mặt sau pin lượng mặt. .. tạo điện cực điểm mặt sau pin lượng mặt trời Do hướng nghiên cứu Việt Nam Chương MƠ HÌNH GIẢI TÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA ĐIỆN CỰC ĐIỂM MẶT SAU CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Nghiên cứu mô số