Chế tạo màng ZnO pha tạp Al cho ứng dụng trong pin mặt trời vô cơ

Một số đặc trưng cơ bản về vật liệu Silic

Silic vô định hình và Silic nano/micro tinh thể có thể được tạo ra dễ dàng hơn so với Silic đơn tinh thể bằng các phương pháp như PECVD, HWCVD… Đây cũng là nguyên nhân làm giảm giá thành sản phNm khi ứng dụng a-Si:H và àc Si:H làm PMT. Lớp “i” (intrinsic) trong cấu trúc pin loại này là lớp Si:H thuần đóng vai trò hấp thụ ánh sáng để tạo ra hạt tải điện còn hai lớp n-Si:H và p-Si:H mỏng hai bên có nhiệm vụ phân ly hạt tải.

Các dòng hạt tải điện

Như vậy, bên ngoài khoảng độ dài khuếch tán electron Le về bên phải hoặc bên ngoài độ dài khuếch tán của lỗ trống Lh về bên trái tương ứng chỉ có dòng electron và dòng lỗ trống. Trong biểu thức trên, thành phần thứ nhất biểu thị cho dòng bão hòa ngược trong PMT ở trạng thái cân bằng, thành phần thứ hai biểu thị cho dòng điện tử sinh ra khi được chiếu sáng.

Cách tính hiệu suất

Công suất cực đại được xác định là diện tích hình chữ nhật dưới đường đặc trưng I – V (phần sậm màu) như trong hình I.5.1. • Thế mạch hở VOC là thế ra cực đại mà một pin Mặt Trời có khả năng cung cấp cho tải khi dòng quang điện bằng không, người ta thường chấp nhận giới hạn trên của VOC là độ rộng vùng cấm Eg của vật liệu đóng vai trò hấp thụ quang.

Mạch điện tương đương và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất

• Điện trở RS đặc trưng cho tất cả những mất mát do sự sụt thế khi đi qua khối pin và những kết nối giữa pin với tải (đối với PMT vô cơ) hay trở kháng của vật liệu (đối với PMT hữu cơ). Có thể bằng cách làm giảm công thoát của kim loại hay dùng lớp tiếp xúc trung gian chẳng hạn như LiF,… Việc lựa chọn vật liệu có vùng hoạt tính và vùng lọc quang học với độ dày thích hợp quyết định rất lớn đến hiệu suất pin.

Phương pháp chế tạo màng ZnO:Al Tiến trình thực nghiệm

Màng dẫn điện trong suốt được chế tạo bằng phương pháp Sol-gel với mục đích ứng dụng vào linh kiện quang – điện đòi hỏi phải có các tính chất cơ bản sau: màng phải có độ truyền qua trên 80% và có độ dẫn thấp (vài chục - vài trăm Ohm). Với mục đích này, chúng tôi chọn chế tạo màng ZnO là một bán dẫn có độ rông vùng cấm lớn (trên 3 eV), thỏa mãn tính trong suốt đòi hỏi nhưng tính dẫn điện của màng ZnO rất kém (100 k Ώ đến vài MΏ). Sol –gel là một phương pháp hóa học ướt tổng hợp, các hệ huyền phù dạng hạt keo rắn phân tán trong chất lỏng, sau đó tạo thành nguyên liệu lưỡng pha gồm bộ khung chất rắn chứa dung môi cho đến khi xảy ra quá trình chuyển tiếp Sol-gel.

Trong đó, màng mỏng với những ứng dụng trong quang học và quang điện tử được chú ý nhiều nhất vì màng có thể tạo ra dễ dàng bằng kỹ thuật nhúng, quay và phun. Màng ZnO:Al được chế tạo từ precusor Zn(CH3OO)3.2H2O, dung môi là 2- Methoxyethanol (2-ME) hoặc Ethanol với chất tạo phức là Monoethanolamin (MEA) hay Diethanolamin (DEA) và nguồn cung cấp tạp Al là Al(NO)3.9H2O, theo lưu đồ tiến trình chế tạo như hình II.1.1.

Kỹ thuật tạo màng bằng phương pháp phủ quay (spin coating)

Hiện nay, tại phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn trường Đại học khoa học tự nhiên TPHCM có hai kỹ thuật phủ màng từ dung dịch: kỹ thuật phủ nhúng (dip coating) và kỹ thuật phủ quay (spin coating). Nếu dùng keo thì chính lớp keo giữ đế sẽ làm bNn mặt dưới, đồng thời rất khó làm cho bề mặt mẫu song song với phương ngang và vuông góc tuyệt đối với trục quay. Còn nếu dùng kẹp cơ học thì phải làm bộ gá mẫu, thao tác thực hiện phức tạp và để lại các dấu bNn từ kẹp trên mẫu, ngoài ra cách thức này cũng không phù hợp để giữ các mẫu có kích thước bé hoặc các linh kiện cần được phủ màng.

Vì thế, việc giữ đế mẫu bằng chân không sẽ khắc phục được các nhược điểm của 02 phương pháp gá mẫu trên và giúp màng tạo được trên đế không bị nhiễm tạp bNn và có độ đồng đều cao. Trong công thức (2.6) ta thấy độ dày của màng sau khi quay không phụ thuộc vào h0, hay nói cách khác lượng dung dịch cho lên đế không ảnh hưởng đến độ dày của màng sau khi quay (spin) [5].

Ủ nhiệt

Trong luận văn này, để đảm bảo ủ nhiệt lần hai (quá trình ủ nhiệt chính) được hiệu quả, đòi hỏi màng phải có cấu trúc tương đối hoàn chỉnh, do đó trong quá trình ủ nhiệt sơ bộ sau mỗi lần phủ màng, chúng tôi đều ủ màng ở nhiệt độ cao (4000C trong 1 giờ). Vì nếu không, quá trình ủ nhiệt chính lần 2 bằng hệ Thermal CVD với chân không cao 10-5 torr sẽ lấy đi rất nhiều Oxy chưa hình thành liên kết dẫn đến việc phá hỏng cấu trúc ZnO, màng bị đen vì chỉ còn Zn trên bề mặt đế. Màng ZnO:Al sau khi đã ủ nhiệt lần 1, được chúng tôi cho ủ nhiệt lần 2 để tăng độ dẫn bằng hệ nhiệt CVD do phòng thí nghiệm bộ môn Vật lý chất rắn trường Đại học KHTN TPHCM vừa xây dựng (hình II.1.6).

Hệ nhiệt CVD được xây dựng với ứng dụng nâng nhiệt cao (9000C) trong môi trường chân không cao (10-5 torr) hay môi trường khí riêng phần nhằm mục đích chế tạo các sợi ZnO kích thước nano bằng phương pháp nhiệt bốc bay vận chuyển và một số ứng dụng ủ nhiệt khác. Trong luận văn này, để tránh những tạp chất từ ống inox làm ảnh hưởng đến màng trong quá trình ủ nhiệt, chúng tôi đã thay thế ống inox bằng ống thạch anh có kích thước tương tự và bộ gá mẫu khi đặt mẫu trong buồng làm việc là 1 ống thạch anh có kích thước nhỏ hơn có thể dịch chuyển để đặt và lấy mẫu dễ dàng.

Ứng dụng màng ZnO:Al trong pin mặt trời vô cơ

• Kết quả và thảo luận về pin mặt trời vô cơ

Quá trình khuếch được thực hiện bằng cách điều khiển một dòng khí các phân tử tạp chất đến bề mặt chất bán dẫn để khuếch tán sâu vào bên trong chất bán dẫn trong điều kiện nhiệt độ cao và môi trường chân không hoặc khí riêng phần. Trong quá trình khuếch tán nhiệt trong môi trường không khí, sẽ tạo trên bề mặt một lớp Nhôm Oxit (thực ra, đây là một lớp có cấu trúc dị thể với thành phần là Aluminum silicat, tuy nhiên , lớp này đóng vai trò như 1 lớp pha tạp suy biến loại p). Tuy nhiên, khi đặt vào giữa tiếp xúc kim loại-bán dẫn một lớp oxit đủ mỏng thì trong lớp này sẽ hình thành một điện trường, đóng vai trò làm uốn cong mức chân không, từ đó dẫn đến các mức năng lượng bên trong khối bán dẫn p-Si cũng bị uốn cong theo (hình II.2.8b).

Như vậy, mẫu được chế tạo với các thông số kỹ thuật như trên thì điều kiện A800KK là phù hợp, nhưng bên cạnh đó lại xảy ra hiện tượng Oxy hóa lớp Al ngoài cùng dẫn đến lớp Al này không đáp ứng vai trò làm điện cực thu hạt tải. Vì vậy để kết hợp cả hai khả năng là ủ nhiệt sao cho lớp Al vừa có thể khuếch tán vào Si để tạo lớp p+ vừa có thể sử dụng làm điện cực thu hạt tải (lớp Al ngoài cùng không bị oxy hóa) chúng tôi chọn điều kiện ủ nhiệt trong môi trường khí Nitơ ở nhiệt độ thấp (5000C) sẽ thừa mản cả hai yờu cầu trờn (bảng II.2.2). • Thứ hai là do màng AZO là màng dẫn điện trong suốt nên ngoài tác dụng tăng cường hấp thụ quang, nó còn có tác dụng cung cấp điện tử cho cực Al (đóng vai trò điện cực âm) và đồng thời là bẫy ngăn quá trình khuếch tán của lổ trống về hướng điện cực Al này.

Điều đó có nghĩa là màng AZO chỉ có tác dụng hấp thụ photon và truyền hạt tải tốt nhất sau khi phủ 2 lớp, trong khi đó quá trình ủ nhiệt sơ bộ cho màng AZO vẫn đồng thời có tác dụng tái ủ nhiệt cho lớp n+ và p+ có thể làm giảm các bẫy trong quá trình khuếch tán P và Al dẫn đến độ linh động hạt tải tăng, làm tăng cường dòng ISC.