2. Ứng dụng màng ZnO:Al trong pin mặt trời vô cơ
2.1. Tiến trình thực nghiệm
PIN p-n trên cơ sở Si được chế tạo với cấu trúc như hình II.2.1b và tiến trình chế tạo có thể mô tả như sơ đồ hình II.2.1c bao gồm các bước cơ bản sau: Xử lý bề mặt đế Si, tạo lớp p+ và n+ (hình thành chuyển tiếp p-n), tạo điện cực lưới Al và màng chống phản xạ và bảo vệ AZO.
Hình II.2. 1: (a) Cấu trúc pin Tím, (b) Cấu trúc pin vô cơ, (b) Sơ đồ tiến trình thực nghiệm chế tạo pin vô cơ
(b) (a)
(c)
2.1. 1. Xử lí bề mặt đế Si
Trên bề mặt đế Si luôn tồn tại một số hợp chất hữu cơ, kim loại và SiO2 làm ảnh hưởng rất lớn đến kết quả của các tiến trình thực nghiệm tiếp theo. Do đó, việc tNy rửa bề mặt là điều cần thiết và được thực hiện theo các bước như sau [25]:
• Bước 1: loại bỏ lượng hữu cơ bám trên bề mặt bằng dung dịch NH4OH/H2O2/H2O với tỷ lệ 1:1:5 ở nhiệt độ 700C trong 15 phút.
• Bước 2: loại bỏ lượng kim loại trên bề mặt bằng dung dịch HCl/H2O2/H2O Với tỷ lệ 1:1:6 ở nhiệt độ 700C trong 15 phút.
• Bước 3: tNy lớp SiO2 bằng dùng dung dịch HF:
SiO2 + 6HF H2SiF6 + 2H2O
• Bước 4: siêu âm đế Si trong dung dịch Iso-propanol bằng máy siêu âm Jac Ultrasonic 1050 Jinwoo (Hình II.1.6) nhằm loại bỏ dung môi còn bám trên đế.
• Bước 5: sấy khô đế bằng lò sấy SPT 200 Vacuum Drier (Hình II.1.7).
Mẫu sau khi được xử lí đế sẽ được pha tạp. Một mặt tạo lớp n+Si, một mặt tạo lớp p+Si. Đây là bước quan trọng đóng vai trò quyết định tạo chuyển tiếp p-n là cơ sở của pin mặt trời vô cơ. Trong quá trình này, khuếch tán nhiệt là phương pháp cơ bản, phổ biến và phù hợp với các trang thiết bị hiện có của cơ sở đào tạo. 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. Các thông số có thể điều khiển được gồm có: Nhiệt độ tại bề mặt bán dẫn, vận tốc dòng khí, nồng độ dòng khí... Các thông số này sẽ được khảo sát chi tiết trong phần sau.
Trong quá trình thực nghiệm, để dễ dàng phân biệt mẫu, chúng tôi kí hiệu mẫu là XtY
Với: X=P, A: là nguyên tố pha tạp (P: Photpho, A: Nhôm) t = 600, 800, 900 là nhiệt độ ủ (0C)
Y= N, CK, KK là điều kiện môi trường (Nitơ, chân không và không khí)
Ví dụ như mẫu P600N là quá trình khuếch tán phốtpho vào Si loại p ở nhiệt độ 6000C trong môi trường khí riêng phần Nitơ hay P900CK là mẫu khuếch tán Photpho ở nhiệt độ 9000C trong môi trường chân không.
2.1.2. Tạo lớp n+Si bằng cách pha tạp Si với Photpho
Để tạo một lớp n+ Si tương đối đậm, chúng tôi dùng Photpho đỏ với phương pháp khuếch tán nhiệt ở 6000C, 8000C, 9000C trong môi trường khí Nitơ và chân không thấp (10-3 torr) với thời gian ủ nhiệt là 2 giờ. Hệ thống khuếch tán nhiệt được chúng tôi thiết kế như hình II.2.2 bao gồm hệ thống nung (100-12000C) ống nung (inox với ampul thạch anh bên trong) liên kết với van chân không và thiết bị tạo chân không hay nạp khí riêng phần cho ống nung.
Hình II.2.2: (a) hút chân không cho buồng, (b) nung mẫu bằng lò Elektro Usarmar – RK42
(a) (b)
Trong quá trình chế tạo, để tránh tạp chất từ thành buồng trong quá trình ủ nhiệt, chúng tôi đặt mẫu trong thuyền thạch anh và thuyền này lại được đặt trong ống thạch anh trước khi đưa mẫu vào buồng hút chân không.
Tuy nhiên, sau quá trình tạo n+ Si chúng tôi nhận được lớp n+ bao quanh đế p-Si như hình II.2.3a. Trong khi đó chúng tôi chỉ cần n+ trên một mặt đế. Vì thế, Để loại bỏ lớp n+ ở phía bề mặt còn lại, chúng tôi tiếp tục eching một mặt đế bằng dung dịch CH3COOH/HNO3/HF với tỉ lệ 8:3:1 theo mô hình như hình II.2.3b. Các kết quả của quá trình nghiên cứu này sẽ được trình bày trong phần kết quả và thảo luận sau.
Hình II.2. 3: Mô hình eching một mặt
2.1.3. Tạo lớp p+Si bằng cách pha tạp Nhôm
Boron là vật liệu thường được sử dụng để pha tạp tạo bán dẫn loại p+Si. Tuy nhiên đây là một vật liệu tương đối hiếm và đắt tiền, nên chúng tôi quyết định thay thế bằng Nhôm vì Al có hóa trị ba như Boron có thể sử dụng để pha tạp loại p cho Silic.
Ngoài ra quá trình này vừa làm giảm chi phí vừa có thể sử dụng Nhôm như một điện cực để lấy hạt tải vì Nhôm là một kim loại dẫn điện tương đối tốt. Quá trình tạo p+ Si có thể được sơ đồ hóa như hình II.2.4 [7, 8].
(a) (b)
Hình II.2. 4 : Sơ đồ chế tạo p+Si Trong đó, các quá trình bốc bay được thực hiện với các thông số:
Hình II.2.5: (a) Hệ bốc bay tạo điện cực, (b) Mẫu sau khi tao điện cực song song Các thông số chế tạo điện cực
Áp suất buồng (Torr) 10-4
Thuyền đốt (V=14 V, I=80 A) W
Vật liệu Al
Mẫu sau khi bốc bay, được khuếch tán nhiệt trong hệ ủ nhiệt đã được trình bày ở phần (II.2.2) và khảo sát ở các nhiệt độ 6000C, 7000C, 8000C trong môi trường Nitơ.
Ở nhiệt độ 8000C, chúng tôi khảo sát thêm trong hai môi trường chân không (10-3 torr) hoặc không khí. Thời gian ủ nhiệt cho tất cả các mẫu là 2 giờ.
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).
Vì thế, để tNy lớp bề mặt này chúng tôi dùng dung dịch HF 10% ngâm mẫu khoảng 10-15 giây.
Sau khi đã thực hiện hoàn tất các bước trên, chúng tôi tiến hành bốc bay một điện cực song song bằng Nhôm một lần nữa để làm điện cực cho quá trình đo đạt tiếp theo (hình II.2.5b).
2.1.4. Tạo điện cực lưới Nhôm trên n+Si
Nhằm để lấy hạt cao nhất từ bề mặt n+, điện cực lưới là giải pháp tương đối hiệu quả, vừa là cửa sổ lấy ánh sáng cho pin vừa là điện cực thu hạt tải. Vật liệu chúng tôi sử dụng là Nhôm vì nó là vật liệu rẻ tiền, dễ tìm và có công thoát khá gần với mức ferrmi của bán dẫn loại n. Tuy không thực sự tạo tiếp xúc ohmic, Nhôm vẫn được dùng để phủ điện cực lưới trên đó.
Quá trình bốc bay nhôm tạo điện cực lưới được thực hiện trong hệ bốc bay liên kết với “glove box” (hình II.2.5a) với các thông số bốc bay như đã trình bày ở phần II.2.3.
Ở đây , tùy vào hình dáng điện cực mà chúng tôi sử dụng các mask khác nhau.
Hình II.2.6: (a)các kiểu mask,(b)cách đặt mask, (c) sản ph'm sau khi tạo điện cực lưới Sau khi tạo điện cực lưới, PMT đã được hoàn thành nhưng Si là vật liệu phản xạ tốt từ đó làm giảm hiểu suất hấp thụ quang cũng như ảnh hưởng không tốt đến hiệu suât của pin. Nhằm khắc phục nhược điểm này, màng chống phản xạ là phương án tối ưu trong quá trình làm pin.
2.1.5. Phủ màng ZnO:Al
Quá trình chế tạo màng ZnO:Al được thực hiện như ở phần II.1.2. Nhưng với mục đích tạo một lớp bẫy quang, màng ZnO:Al phải có độ xốp và độ gồ ghề tốt. Chúng tôi phủ các lớp AZO lên pin với chế độ ủ nhiệt 5000C trong 1 giờ (ủ nhiệt sơ bộ) sau mỗi đơn lớp trong môi trường không khí và khảo sát ảnh hưởng của chúng lên hoạt động của pin.
(a) (b) (c)