Phương pháp chế tạo lớp hấp thụ CIGS để nâng cao chất lượng pin mặt trời

Selen hóa của các lớp bán vật liệu dạng kim loại

Phương pháp đa bước chung nhất là selen hóa các lớp kim loại hay các lớp hợp kim được xếp chồng. Các kim loại hay hợp kim có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau, thường là phún xạ, bốc bay, mạ điện. Selen hóa được sử dụng nhiều nhất trong môi trường chứa Se tại nhiệt độ cao (thường là 400oC).

Thời gian Selen hóa phụ thuộc vào độ dày, cấu trúc và thành phần của màng cũng như nhiệt độ phản ứng và nguồn Se. Kết quả các màng CIGS có thể chứa CIS và CGS như 2 pha tách riêng nếu nhiệt độ phản ứng quá nhỏ hoặc thời gian quá ngắn. Phương pháp chalcogen hóa cũng đưa ra khả năng hình thành các màng mỏng CuIn(S,Se)2 bằng đưa cả bán vật liệu Se và S vào môi trường ủ.

Lắng đọng hơi hóa học

Se có thể tồn tại ở dạng H2Se được pha loãng bằng khí Ar hoặc nguyên tố Se. Nói chung, CIS hình thành bằng Selen hóa nhanh hơn và ở nhiệt độ thấp hơn với CGS.

Phương trình Poisson

• Nồng độ trạng thái định xứ (N D + , N A - , p t , n t )

(2.5) Vì hàm Fermi – Dirac giảm rất nhanh khi năng lượng lớn do đó có thể thay thế. Khi một thiết bị lệch khỏi trạng thái cân bằng nhiệt động bởi các tác động của thế hiệu dịch, sự chiếu sáng hoặc cả hai yếu tố đó thì giá trị của nồng độ điện tử tự do và lỗ trống tự do được tính theo biểu thức (2.11) và (2.12). Chỉ khác ở chỗ là thay thế mức Fermi cơ bản bằng mức Fermi lượng tử.

Chúng ta đã tìm hiểu về các giá trị của n và p của phương trình Poisson. Chúng ta đi tìm hiểu thêm các đại lượng khác của phương trình Poisson với sự góp thêm và phát triển của điện tích. Đầu tiên chúng ta đề cập đến nồng độ điện tích ở các mức pha tạp định xứ.

Các mức tạp trong mô hình của chúng tôi được hình thành bởi tập hợp các mức rời rạc, tạo nên một dải với một độ rộng nhất định. NdD+ : Là tổng nồng độ điện tích ở các mức donor rời rạc NdA− : Là tổng nồng độ điện tích ở các mức acceptor rời rạc NbD+ : Là tổng nồng độ điện tích phát sinh ở mức donor liên tục NbA− : Là tổng nồng độ điện tích phát sinh từ mức acceptor. Vùng năng lượng được xác định là giới hạn năng lượng trên E2 và giới hạn năng lượng dưới E1.

Các trạng thái sai hỏng bao gồm cả trạng thái sai hỏng liên tục và trạng thái sai hỏng rời rạc. AMPS cho phép các mức sai hỏng này tuân theo hàm phân bố liên tục Gauss.

Phương trình liên tục

Jn và Jp lần lượt là mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống. Phương trình Possion không tính đến trường hợp số lượng điện tử tự do hoặc lỗ trống tự do có thể suy biến và tính chất của vật liệu có thể thay đổi theo vị trí. Hai biểu thức (2.37) và (2.38) sử dụng trong chương trình mô phỏng AMPS để tính toán cho sự thay đổi của tính chất vật liệu để tìm ra cấu trúc tối ưu của pin mặt trời thế hệ mới với lớp hấp thụ CIGS.

Trong mọi trường hợp, khi không tồn tại trạng thái cân bằng (với bán dẫn không suy biến n.p ≠ ni2) sẽ xảy ra quá trình tái hợp nhằm đưa trạng thái không cân bằng trở về trạng thái cân bằng [3]. Có rất nhiều quá trình tái hợp xảy ra nhưng trong phạm vi bài luận này, chúng tôi chỉ xét đến quá trình tái hợp vùng – vùng (tái hợp cơ bản hoặc tái hợp trực tiếp). Trong dạng tái hợp này, một điện tử tự do trực tiếp gặp một lỗ trống và tái hợp với nhau.

Thực chất, một điện tử trên vùng dẫn chuyển mức xuống một trạng thái trống ở vùng hoá trị. Bán dẫn ta xét là bán dẫn có vùng cấm thẳng nên quá trình tái hợp không đòi hỏi sự tham gia của phonon.

Các tham số cơ bản

Mỗi bước sóng tương ứng với tần suất và năng lương: bước sóng càng ngắn, tần suất càng cao và năng lượng càng lớn (thể hiện bằng eV). Ánh sáng đỏ nằm cuối giới hạn nguồn năng lượng thấp của dải quang phổ hữu hình và ánh sáng tím nằm cuối giới hạn nguồn năng lượng cao mà ở đó 1 nửa lại là nguồn năng lượng ánh sáng đỏ. Tương tự như vậy, phóng xạ ở khu vực tia hồng ngoại mà chúng ta cảm giác nóng sẽ ít năng lượng phóng xạ hơn ở khu vực hữu hình.

Dải quang phổ ánh sáng tiêu chuẩn tới bề mặt trái đất là AM1.5G ( trong đó G là global (toàn cầu) và bao gồm cả phóng xạ trực tiếp và phóng xạ khuếch tán) và AM1.5D (chỉ bao gồm phóng xạ trực tiếp). Do đặc điểm của pin mặt trời thế hệ mới với lớp hấp thụ CIGS hiệu năng chỉ đạt giá trị tốt nhất trong khoảng bước sóng đó. Về nhiệt độ: Trong phạm vi của bài luận này, chúng tôi không khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu năng làm việc của một pin như thế nào.

Mô hình mật độ trạng thái là cần thiết để giải quyết với vật liệu có tồn tại trạng thái sai hỏng như vật liệu silicon vô định hình và các sai hỏng tại mặt biên giữa các hạt của vật liệu đa tinh thể. Lớp tiếp xúc trước và sau chỉ được xác định bởi tính chất vật liệu của chúng và hệ số phản xạ của bề mặt chất bán dẫn: Φb0 = 0 eV tại vùng dẫn ở mức Fecmi EF. Như chúng ta thấy, cùng với một phổ chiếu sáng nếu năng lượng ánh sáng mà pin mặt trời hấp thụ được nhiều nhất thì mật độ dòng sinh ra sẽ lớn và hiệu năng hoạt động của pin sẽ cao.

Khi nghiên cứu các kết quả thực nghiệm sử dụng chương trình mô phỏng, hệ số phản xạ mặt sau không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng hoạt động của pin. Do sự gián đoạn tính tuần hoàn của tinh thể, do các khuyết tật mạng, do các nguyên tử lạ, do sự không bão hoà hoá trị của các nguyên tử, trên bề mặt thường có các tâm định xứ mà năng lượng nằm trên vùng cấm. Vì vậy, tái hợp bề mặt thường xảy ra mạnh hơn trong lòng chất bán dẫn và làm cho nồng độ hạt dẫn dư trên bề mặt thường thấp hơn trong lòng chất bán dẫn.

Trong chương trình mô phỏng một chiều AMPS -1D, chúng ta sử dụng tốc độ tái hợp mặt là 107 cm/s, tương ứng gần bằng chuyển động nhiệt của điện tử.

Tính chất của các lớp

Từ năm 1951, người ta bắt đầu nghiên cứu một loại chuyển tiếp p – n mới gọi là chuyển tiếp dị chất. Do sự khác nhau về ái lực hoá học nên khi các lớp bán dẫn khi tiếp xúc với nhau có sự chênh lệch về năng lượng mặt tiếp xúc. Hệ số hấp thụ được xác định bởi xác suất hấp thụ photon, phụ thuộc vào xác suất chuyển mức điện tử giữa các vùng cho phép, số trạng thái điền đầy trong vùng hoá trị và số các trạng thái trống trên vùng dẫn.

AMPS – 1D sử dụng mô hình tái hợp Shockley-Read-Hall, mô hình tái hợp này được tìm ra vào năm 1952. Sau đây, chúng ta thảo luận về đại lượng trạng thái acceptor và trạng thái sai hỏng donor. Chuyển tiếp 2 và chuyển tiếp 4 sinh ra một cặp điện tử - lỗ trống, chuyển tiếp 1 và chuyển tiếp 3 tái hợp một cặp điện tử - lỗ trống.

Dưới sự chiếu sáng hoặc thế hiệu dịch quá trình tái hợp chiếm ưu thế, từ đó mà quá trình tái hợp phụ thuộc vào độ tăng lên của nồng độ hạt tải tự do trong vùng dẫn. Xét trong trường hợp cơ bản, chỉ một trạng thái sai hỏng được cộng vào ba lớp trong cấu trúc của PMT thế hệ mới với lớp hấp thụ CIGS. Chúng ta giả thiết, trạng thái sai hỏng donor ở lớp ZnO và CIGS, trạng thái sai hỏng acceptor ở lớp CdS.

Mục này dựa trên việc tìm ra loại sai hỏng vượt trội đặc trưng cho một thiết bị thực nghiệm. Các trạng thái sai hỏng đóng góp vào điện tích không gian, nếu chúng bị iôn hoá: Trạng thái sai hỏng donor là trạng thái giữ một lỗ trống (mất một điện tử), chúng mang một điện tích dương đơn lẻ. Ví dụ như trong lớp CIGS (là bán dẫn loại p), tất cả đều là sai hỏng loại donor, mật độ acceptor nằm trong mẫu bằng nồng độ hạt tải mong muốn cộng thêm nồng độ lỗ trống cần thiết để iôn hoá sâu: NA = 2,01x1016 cm-3.

Gd,a là mật độ sai hỏng / năng lượng với E = EP(d,a) và σd,a là độ rộng phân bố trong thiết bị chuẩn, gd,a là tích phân của tất cả các năng lượng sai hỏng NDG và NAG, những điều này sẽ đưa vào chương trình AMPS-1D.