Hiện nay, khoảng 90% các pin mặt Trời được sản xuất và ứng dụng là các pin mặt Trời từ vật liệu silicon (Si) dưới dạng đơn tinh thể, hoặc đa tinh thể hoặc vô định hình nhưng chủ yếu là dạng tinh thể. Vì vậy dưới đây ta chỉ nghiên cứu công nghệ chế
tạo pin mặt Trời tin thể Si. Quá trình công nghệ này bao gồm 6 công đoạn như sau: - Sơ lọc cát thạch anh để có silicon có độ sạch kỹ thuật (độ sạch luyện kim). - Làm sạch tiếp để có silicon có độ sạch bán dẫn.
- Pha tạp để có Si-n và Si-p và tạo tiếp xúc pn. - Tạo tiếp xúc điện, điện cực, lớp chống phản xạ. - Tạo module, kiểm tra, phân loại.
* Dưới đây là mô tả sơ lược về các công đoạn nói trên: Sơ lọc cát thạch anh để có silicon có độ sạch kỹ thuật.
Cát dùng làm vật liệu ban đầu chế tạo Si phải là cát giàu thạch anh SiO2 (hàm lượng SiO2 vào khoảng 90% hoặc cao hơn). Trong lò hồ quang nhiệt độ cao, SiO2 được cho phản ứng với cacbon (C) để cho silicon (Si) có độ sạch kỹ thuật theo phản ứng:
COSi Si C SiO2+2 → +2 Làm sạch tiếp để có silicon có độ sạch bán dẩn. Có ba công nghệ chính để làm sạch Si đến độ sạch bán dẫn: + Quá trình silan;
+ Quá trình silicon fluorid; + Quá trình trichlorsolan;
* Sản phẩm thu được của các công nghệ này là vật liệu đa tinh thể gồm các hạt
đơn tinh thể Si nhỏ. Tạo đơn tinh thể Si.
Có thể tạo đơn tinh thể Si dưới dạng thanh (thỏi), dạng tấm hoặc dạng băng. Các công nghệ chế tạo đơn tinh thể được dùng phổ biến là công nghệ Czochralski, công nghệ vùng nổi và công nghệ trao đổi nhiệt.
Cắt thỏi Si đơn tinh thể thành các phiến Si.
Đầu tiên ta phải cắt gọt thỏi Si để nó có hình dạng trụ đồng đều, thường có
đường kính D = 7,5 ÷ 10 cm. Sau đó dùng cưa diamond, cưa dây hoặc tia laser cắt thỏi thành các phiến hình đũa tròn có chiều dày cỡ 0,3 ÷ 0,5 mm và sau đó mài nhẵn và làm sạch bề mặt các phiến bằng phương pháp ăn mòn hóa học để khử các khuyết tật bề mặt do quá trình cưa cắt gây ra. Do các công nghệ chế tạo nói trên còn rất nhiều nhược
điểm như: hao tinh thể, nhiều công đoạn,…Vì vậy ta nên sử dụng các công nghệ sau để đạt được hiệu quả cao hơn: Kỹ thuật “kéo” tấm đơn tinh thể bằng khuôn.
Có hai phương pháp điển hình để tạo lớp bán dẩn tiếp xúc pn là: khuếch tán nhiệt, cấy ion.
* Phương pháp khuếch tán nhiệt.
Từ các phiến đơn tinh thể để có được Si loại n ta dùng tạp là Photpho (P), còn
để có Si loại p dùng tạp là Bo (B). Các nguồn tạp chất có thể là rắn như các muối P2O5, B2O3, lỏng như POCl3, BBr3, hoặc khí như: PH3, BCl3.
Sự tạo lớp tiếp xúc pn thực hiện theo định luật khuếch tán Pick. Theo định luật này thì các nguyên tử sẽ khyếch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp. Tốc độ khuếch tán và độ sâu khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian khuếch tán. Người ta dùng một tấm đế là Si-p được pha tạp Bo với nồng độ 1016 nguyên tử
Bo/cm3, sau đó phủ lên tấm đế một lớp Photpho (P) và đưa vào buồng khuếch tán có nhiệt độ khoảng 900 ÷ 9500C. Khi P khuếch tán vào tấm để tạo thành một lớp Si-n có
độ dày khoảng 1,2 ÷ 1,5 µm thì người ta hạ nhiệt độ để chấm dứt quá trình khuếch tán. Lớp tiếp xúc pn là một lớp mỏng trong đó có nồng độ tạp chuyển từ P sang B và tiếp xúc pn được xem là đặt tại biên giới mà trên đó có nồng độ P và N bằng nhau.
Do nồng độ P ở bề mặt lớp tiếp xúc rất cao thậm chí ngay cả sau quá trình khuếch tán, P và Si tác dụng với nhau tạo ra một lớp bề mặt được gọi là “lớp chết” có
điện trở cao và là nguyên nhân gây ra sự tái hợp điện tử - lỗ trống, làm giảm hiệu suất của pin quang điện. Vì vậy phải cắt bỏ lớp này đi.
Vì hơn 50% ánh sáng mặt Trời tới pin mặt Trời bị hấp thụ trước hết chỉ ở một lớp bề mặt chiều dày 3µm ở sát bề mặt, phần còn lại của ánh sáng mặt Trời được hấp thụ ở lớp tiếp theo có độ dày 300 µm. Vì vậy pin mặt Trời nên được chế tạo sao cho phía trên là một lớp colector mỏng (chiều dày ≤ 3µm) và tiếp đó là một lớp đế dày nhưng có độ linh động của hạt tải cao để các hạt tải có thể chuyển động về lớp tiếp xúc pn và điện cực khi chúng được tạo ra trong miền này.
* Phương pháp bắn cấy ion.
Các phiến Si được đặt trước các đĩa ion năng lượng cao. Tùy theo muốn chế tạo Si-n hoặc Si-p mà người ta dùng các “đạn” ion là P hay B. Nhờ sự thay đổi cường độ
tia ion có thể thay đổi chiều sâu đâm xuyên của các ion. Bề mặt Sis au đó phải ủ bằng tia laser hoặc tia điện tửđể khử các hư hỏng bề mặt do ion bắn phá vào mạng tinh thểở
gần bề mặt. Lớp tiếp xúc pn tạo bằng phương pháp cấy ion không khác gì nhiều so với tạo bằng phương pháp khuếch tán nhiệt. Chiều sâu của lớp pn vào cở 0,25 µm. Mật độ
các tạp chất biến đổi từ 1016 nguyên tử/cm3 ở lớp tiếp xúc đến 1021 nguyên tử/cm3 tại bề mặt.
Tạo lớp tiếp xúc Ohmic.
Vật liệu làm điện cực tiếp xúc phải có độ dẫn tốt và vừa phải bám dính tốt bán dẫn. Ngoài ra đối với điện cực như mặt trên cần phải thiết kế sau cho ánh sáng mặt Trời có thểđến được lớp tiếp xúc pn. Cần phải điều hòa giữa vấn đề che sáng và điện trở của điện cực.
Si chưa xử lý phản xạ đến 30% ánh sáng tới. Một lớp chống phản xạ như SiO2
có thể làm giảm phản xạ xuống 10%. Nếu dùng hai lớp chống phản xạ thì có thể làm giảm phản xạ xuống dưới 3%. Các vật liệu dùng làm vật liệu chống phản xạ là SiO2, TiO2 và Ta2O5. Công nghệ bốc hơi trong chân không là công nghệ thích hợp để tạo lớp chống phản xạ.
Đóng gói các pin mặt Trời thành modun.
Các pin mặt Trời sẽ phải làm việc ở điều kiện ngoài trời lâu dài. Vì vậy để bảo vệ các lớp tiếp xúc và dây nối, bảo vệ vật liệu cách điện và do đó muốn tăng tuổi thọ
pin mặt Trời ta cần phải đóng kín pin mặt Trời trong các vật liệu trong suốt. Tất nhiên không thể đóng gói từng pin mà ta có thể đóng gói nhiều pin để tạo thành một modun (tấm) pin mặt Trời. Khi đóng gói ta cần chú ý là phải lựa chọn các pin hoàn toàn hoặc gần hoàn toàn giống nhau về các đặc trưng quang điện và cơ học để xếp vào một modun.
Hình 23: Cấu tạo một modun pin mặt Trời. (Ghi chú: EVA là: Ethylene Vinyl Acetate.)