A. Lý thuyết tổng quan
B.3.1. Ứng dụng vào pin mặt trời
Nhằm hoàn thiện pin mặt trời với cấu trúc A-D, P3HT được sử dụng như loại donor (vật liệu cho điện tử hay vật liệu dẫn lỗ trống), ta cần tìm thêm một loại bán dẫn aceptor (vật liệu nhận điện tử hay dẫn điện tử). Do điều kiện phòng thí nghiệm chúng tôi chuyển từ sử dụng vật liệu hữu cơ loại aceptor sang dùng wafer c-Si pha tạp loại n+làm vật liệu nhận và dẫn truyền điện tử trong pin măt trời.
B.3.1.1 Tiến trình thực nghiệm
Trong phần này, chúng tôi khảo sát sự ảnh hưởng nồng độ pha tạp Si loại n+ đến tính quang điện của pin mặt trời dựa trên lớp hoạt quang P3HT. Pin có cấu trúc các lớp: Al/Si n+/P3HT/Ag được minh họa theo hình B.3.2 và có cấu trúc vùng năng lượng được mô tả như hình B.3.1.
Nhằm tạo một lớp n+ tương đối đậm trên bề mặt đế c-Si, chúng tôi sử dụng phương pháp khuếch tán nhiệt từ nguồn rắn và phốtpho đỏ (P2O5) được dùng làm nguồn tạp chất khuếch tán. Chúng tôi khảo quá trình pha tạp tại nhiệt độ 9000C trong môi trường khí Argon với các khoảng thời gian khác nhau [2]. Một đơn lớp n+ tốt sẽ làm cho tiếp xúc với điện cực tốt hơn. Hơn nữa, nếu lớp n+ của chúng tôi càng đậm, thì sẽ làm tăng điện trường tiếp xúc donor-aceptor làm tăng khả năng tách các cặp exciton trong vùng hoạt quang (miền bán dẫn tại tiếp xúc donor- aceptor). Quá trình này sẽ làm giảm sự thất thoát exciton hay giảm các cặp exciton
tái hợp do không phân ly được. Việc tăng nồng độ pha tạp cũng làm tăng quá trình lấy hạt tải, nghĩa là làm tăng hệ số lấp đầy của pin mặt trời.
Hình B.3.1: Cấu trúc vùng năng lượng của pin mặt trời được khảo sát
Hình B.3.2: Cấu trúc các lớp trong pin mặt trời được khảo sát
Đế Si sau khi xử lí bề mặt và P2O5 được đặt chung trong thuyền thạch anh, đặt trong ống thạch anh, nhằm giảm ảnh hưởng tạp chất từ thành buồng, và đưa vào buồng hút chân không. Sau khi chân không của hệ đạt 10-3Torr, chúng tôi dẫn khí Argon (99.99%) vào tới áp suất lớn hơn áp suất khí quyển một ít.
Chúng tôi tiến hành nâng nhiệt với tốc độ 1000C/15 phút đến khi đạt 9000C. Đế được ủ nhiệt trong 3 khoảng thời gian khác nhau nhằm tạo ra 3 loại Si pha tạp khác nhau ứng dụng vào pin mặt trời.
Xử lý đế Si sau khi pha tạp bằng dung dịch HF 10% trong 10 phút nhằm loại bỏ các oxit silic trên bề mặt.
Đế được phủ nhôm làm điện cực ở một bên và bên còn lại dùng để phủ lớp P3HT.
Màng P3HT được tạo bằng phương pháp drop casting lên đế Si pha tạp loại n+. Màng được ủ nhiệt ở 1600C với thời gian ủ 1 giờ trong môi trường chân không cao.
Sau cùng điện cực anode được tạo bằng các bốc bay kim loại bạc (Ag) thành điện cực lưới.
B.3.1.2 Kết quả và thảo luậnQuá trình pha tạp Quá trình pha tạp
Sau quá trình pha tạp photpho cho c-Si thể hiện trong bảng B.3.1:
Bảng B.3.1:Các thông số thu được qua quá trình pha tạp P2O5 vào c-Si theo các thời gian ủ nhiệt khác nhau
Nhận xét cho quá trình pha tạp: Thời gian pha
tạp 3h 4h 5h Điện trở suất (Ohm cm) 1,81.10 -1 1,21.10-1 1,0.10-1 Mật độ hạt tải khối (cm-3) 7,92.10 17 1,46.1018 2,8.1018 Độ linh động điện tử (cm2/Vs) 43.5 37.9 12,3
Ở nhiệt độ càng cao, điện trở suất của mẫu càng giảm, điều này thể hiện rõ khi mật độ hạt tải khối tăng trong khi độ linh động hạt tải có giảm.
Sự giảm độ linh động hạt tải cho thấy việc thay thế các nguyên tử phốtpho vào đúng nút mạng tinh thể Si chỉ chiếm một phần. Phần còn lại sẽ tạo thành các khuyết tật hay các bẫy làm giảm độ linh động hạt tải. Tuy nhiên, điều này không làm ảnh hưởng quá nhiều đối với kết quả cuối cùng thu được.
Có thể áp dụng c-Si n+này làm lớp truyền điện tử trong pin mặt trời.
Khảo sát tính chất quang điện của pin mặt trời
Nhằm khảo sát tính chất quang điện của pin mặt trời tạo ra, chúng tôi sử dụng hệ đo đặc trưng I-V cho hai điều kiện có và không có ánh sáng. Để đo đặc tuyến I-V của các mẫu khi chiếu sáng, chúng tôi dùng đèn dây tóc công suất 50W để giả phổ mặt trời. Chúng tôi cố gắng chọn khoảng cách đặt mẫu so với đèn thích hợp để có công suất chiếu sáng vào mẫu gần với công suất chiếu sáng của mặt trời nhất.
Hình B.3.3b: Đặc trưng I-V của pin c-Si n+pha tạp 3h
Đường đặc trưng I-V (hình B.3.3a) cho thấy pin có đặc trưng I-V khá kém chứng tỏ các lớp tiếp xúc giữa P3HT và c-Si n+3h chưa tốt. Hiệu ứng quang điện khá nhỏ (hình B.3.3b) JSC = 130 μA/0.25cm2 = 520 μA.cm-2, VOC = 25mV, FF = 0,46. Công suất cực đại Pmax= 5,85 μW.cm-2.
Hình B.3.4a: Đặc trưng I-V của pin c-Si n+pha tạp 4h
Đặc trưng I-V của hình pin c-Si n+pha tạp 4h Hình B.3.4a cho thấy mật độ dòng có giảm đi so mới mẫu pin Si n+3h nhưng có đặc trưng I-V khá tốt hơn chứng tỏ các lớp tiếp giáp của linh kiện này tốt hơn. Hiệu ứng quang điện có xuất hiện nhưng khá yếu (hình B.3.4b) VOC = 50mV, JSC = 220μA/0.25cm2 = 880μA/cm2, FF= 0,5. Công suất cực đại 22μW.cm-2.
Hình B.3.4b: Đặc trưng I-V của pin Si n+pha tạp 4h
Hình B.3.5a: Đặc trưng I-V của pin Si n+pha tạp 5h
Đặc trưng I-V (hình B.3.5b) cho thấy pin mặt trời tạo trên c-Si n+pha tạp 5h có VOC = 30mV, ISC = 150 μA/0.25cm2 = 0.6mA/cm2, FF = 0.55. Pin có công suất cực đại= 9,9 μW cm-2.
Từ các đặc trưng I-V trên và các hệ số thu được, chúng tôi nhận thấy cả 3 loại đều cho hiệu ứng quang điện nhưng hiệu suất của pin khá thấp, điều này được giải thích bời sự không tương thích giữa cấu trúc vùng năng lượng của P3HT và c- Si pha tạp n+, sự chênh lệch giữa các mức trong chuyển tiếp aceptor-donor quá lớn, làm giảm khả năng dẫn truyền tải các hạt mang điện bị tách ra tại lớp tiếp giáp về phía hai điện cực cathode và anode.
Nhận xét: Hiệu ứng quang điện thu được cho thấy ta có thể dùng P3HT như một bán dẫn loại cho điện tử (donor) nhằm kết hợp với một loại bán dân hữu cơ loại , aceptor như PCBM do điều kiện hạn hẹp nên chúng tôi chưa được trang bị, trong linh kiện pin mặt trời hữu cơ.