Đo điện trở mặt của mẫu màng mỏng bằng kỹ thuật Van der

22

1.4.5.1 Đo điện trở mặt của mẫu màng mỏng bằng kỹ thuật Van der

Điện trở suất của mẫu được xác đ nh ởi cơng thức ρ = RS.d, trong đó Rs là điện trở ề mặt và d là độ dày của mẫu

Để áp dụng phương pháp Van der Pauw, độ dày của mẫu phải nhỏ hơn nhiều chiều rộng, chiều dài mẫu Để giảm sai số trong tính tốn, hình dạng mẫu nên có dạng đối xứng. Trong thực tế, mẫu thường có dạng hình vng, như trên hình 1.11.

Phép đo yêu cầu bốn đầu đo (điện cực) đặt lên mẫu phải có tiếp xúc Ohmic. Ngồi ra, các điện cực còn phải thỏa m n các điều kiện sau:

- Phải n m ở mép ngoài của mẫu, càng sát mép ngoài càng tốt; - Mối tiếp xúc phải có kích thước càng nhỏ càng tốt;

- Vật liệu tạo các điện cực phải cùng một loại, cùng một tính chất. Điện trở ề mặt Rs được đo và xác đ nh như sau:

Cho một d ng điện chạy dọc theo một ên mép của mẫu, ví dụ I12 và ta đo thế giữa hai đầu của cạnh đối diện (trong trường hợp này là V34).

Hình 1.11. Hình dạng mẫu thường được sử dụng trong kĩ thuật Van der Pauw.

Từ số liệu đo ta xác đ nh điện trở theo đ nh luật Ohm:

34 12 ,34 12 V R I 

Tương tự theo chiều ngang, ta có đo được giá tr điện trở R23,41.

Điện trở ề mặt Rs của mẫu có hình dạng ất kì có thể được tính từ hai điện trở, một đo theo chiều th ng đứng (chiều dọc) R12,34 và một đo theo chiều ngang R23,41. Theo l thuyết của Van der Pauw, ta xác đ nh được điện trở ề mặt Rs qua công thức: 12 ,34 23,41 s s R R exp exp 1 R R                

Theo lí thuyết: RAB ,CD  RCD,AB

Do đó, ta có thể thu được giá tr chính xác hơn ng cách hốn đổi vai tr các cực và thu được R34,12 và R41,23 , từ đó có các giá tr trung ình:

12 ,34 34 ,12 doc R R R 2   23,41 41,23 ngang R R R 2  

Và như vậy công thức Van der Pauw trở thành: ngang doc s s R R exp exp 1 R R                 

ột cách để n ng cao hơn nữa độ chính xác của phép đo là ta lặp lại các phép đo trên ng cách đổi chiều d ng điện ục đích của việc làm này là loại trừ ảnh hưởng của hiệu ứng See eck Các giá tr điện trở một lần nữa lại là trung ình của các phép đo theo chiều thuận và ngh ch

Kết hợp kết quả các lần đo ta có: 12,34 34 ,12 21,43 43,21 doc R R R R R 4     23,41 41,23 32,14 14 ,32 ngang R R R R R 4    

Nói chung, cơng thức Van der Pauw không thể iến đổi để cho trực tiếp Rs . Tuy nhiên trong thực tế chúng ta có thể tính Rs từ cơng thức Van der Pauw thơng qua phần mềm máy tính

Trong điều kiện mẫu đồng nhất, đối xứng, ta có thể coi:

doc ngang

R R R

Trong trường hợp này, Rs được tính ởi cơng thức:

s R R ln 2  

1.4.5.2 Phép đo hiệu ứng Hall

Hiệu ứng all được E. H. Hall phát hiện năm 1879 Nội dung cơ ản của hiệu ứng này như sau:

Xét một vật dẫn có hình dạng hộp chữ nhật, dưới tác dụng của một điện trường Ee, có d ng điện với mật dộ dòng j chạy qua. Vật dẫn được đặt trong một từ trường có cường độ B vng góc với d ng điện. Thực nghiệm cho ta thấy khi đó

trên mặt vật dẫn song song với j và B có xuất hiện các điện tích trái dấu, tức là có một hiệu điện thế nào đó Đó là hiệu ứng Hall.

Đ

Độ lớn của hiệu điện thế V này, tỉ lệ với khoảng cách d giữa hai mặt, với mật độ

dòng j và vectơ cường độ từ trường B. Ta có thể viết: . . .

V k j d B (1.11)

Trong đó, k là một hệ số tỉ lệ phụ thuộc bản chất của vật dẫn, có tên gọi là h ng số Hall.

Để đơn giản, ta coi các phần tử tải điện đều mang điện tích dương q (hình 1.12(a)), chuyển động với cùng một vận tốc v b ng vận tốc trung bình của chuyển động đ nh hướng của các phần tử tải điện (c n được gọi là vận tốc kéo theo). Khi chuyển động trong từ trường, mỗi phần tử tải điện ch u tác dụng của lực Lorentz có phương vng góc với d ng điện và từ trường, chiều của nó được xác đ nh b ng quy tắc tam diện thuận (quy tắc àn tay trái), ngh a là các hạt tải sẽ chuyển động sang bên phải làm cho hai mặt đối diện tích điện trái dấu, giữa chúng sẽ có một hiệu điện thế, một điện trường Điện trường này tác dụng lên các phần tử tải điện một lực ngược với lực Lorentz. Trạng thái cân b ng xuất hiện khi từ lực (lực Lorentz) FB

cân b ng với lực điện trường FE,, ngh a là :

   

Hình 1.12. Mô tả hiệu ứng Hall cho các hạt tải điện tích dương (a)

Như vậy, hiệu điện thế do hiệu ứng Hall sẽ là:

. . .

H H

V E d v d B (1.13)

Từ biểu thức của mật độ d ng điện:

0 jn q v. . (1.14) ta có: 0 ( / . ). . H V  j n q d B (1.15)

Nếu sử dụng mối liên quan giữa vận tốc kéo theo v và điện trường tác dụng Ee: . e

vE (1.16)

trong đó β là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào bản chất, trạng thái của phần tử tải điện,

được gọi là độ linh động chuyển động kéo theo của hạt tải, ta có thể viết:

H e

V .E .d.B (1.17)

So sánh công thức (1.15) với (1.17), ta suy ra k = 1/n0.q Ngh a là hệ số Hall

phụ thuộc mật độ và độ lớn của điện tích phần tử tải điện. Trong các sách k thuật, hệ số all thường được kí hiệu là RH. Nếu phần tử tải điện mang điện tích âm thì với điện trường tác dụng cùng chiều với trường hợp hạt tải dương, các hạt tải mang điện tích m cũng sẽ b đẩy về bên phải (hình 1.12 (b)), ta sẽ thu được thế hiệu âm. Như vậy h ng số Hall có thể dương hoặc âm. Nếu vật liệu có hai loại hạt tải thì dưới tác dụng của cùng một điện trường Ee, thế hiệu all quan sát được là kết quả của sự cạnh tranh về độ linh động chuyển động kéo theo giữa hai loại hạt tải.

Công thức của thế hiệu Hall cho ta thấy hiệu ứng này có thể được áp dụng để đo các đại lượng:

- Đo nồng độ và loại hạt tải Đ y là một phép đo quan trọng trong nghiên cứu chất bán dẫn;

- Đo vận tốc kéo theo hay là độ linh động của chuyển động kéo theo;

- Đo vận tốc chuyển động của một vật dẫn b ng cách cho nó chuyển động trong từ trường. Vận tốc chuyển động của vật đóng vai tr của vận tốc kéo;

1.4.6 Phƣơng pháp đo chiều dày màng mỏng bằng Stylus Profiler

Máy Stylus Profiler là dụng cụ đặc trưng để đo độ dày những màng rất mỏng c micromet hay nanomet Phương pháp này luôn luôn đ i hỏi mẫu phải được phủ để so sánh độ dày chênh lệch với vùng không phủ. Vật mẫu được đặt trên một cái đế di chuyển một cách đều đặn với độ chính xác cao, người ta đặt một đầu dò với mũi làm ng kim cương, đầu dị ghì sát vào vật mẫu Đầu d được nối cơ với lõi biến áp biến thiên tuyến tính th ng nh m nhận biết sự thay đổi của bề mặt vật mẫu. Khi hệ thống đế di chuyển thì đầu dị di chuyển trên vật mẫu t nh tiến theo một đường th ng.

Như vậy, mũi d sẽ quét ngang từ biên này sang biên kia của mẫu ở khoảng cách và lực tiếp xúc cụ thể Phương pháp này có thể đo được sự biến đổi nhỏ của bề mặt khi sự d ch chuyển th ng đứng của mũi d là một hàm của thế. Tại những điểm có độ dày khác nhau thì tạo ra sự thay đổi v trí của lõi biến áp biến thiên tuyến tính th ng. Những thay đổi này chuyển thành tín hiệu xoay chiều với tỷ lệ tương thích với sự thay đổi. Cuối cùng chuyển sang tín hiệu k thuật số lưu trong ộ nhớ của máy tính để hiển th , đo lường và in kết quả.

1.4.7 Phƣơng pháp đo điện trở vuông của mẫu màng mỏng

Với màng mỏng dẫn điện có chiều dày khơng lớn lắm, c nhỏ hơn 3 nm, chúng ta có thể d ng phương pháp đo điện trở vng để tính điện trở suất của màng.

Điện trở vuông là điện trở đo được từ hai dải điện cực tạo trên bề mặt mẫu một diện tích hình vng Điện cực kim loại được chế tạo b ng phương pháp ốc bay chân khơng Ta có sơ đồ một mẫu để đo điện trở vng như ở hình 1.13.

Ta có cơng thức xác đ nh điện trở của vật dẫn điện như sau:

l R

S



 (1.18) trong đó: ρ là điện trở suất,

l là chiều dài của mẫu,

S là diện tích của tiết diện cho d ng điện đi qua

Trong trường hợp mẫu đo có diện tích hình vng như trên ình 1.8, thì tiết diện đó có diện tích b ng S = l.d.

Ta có điện trở bề mặt (điện trở vuông ) b ng:

R d



 (1.19) Suy ra R d (1.20)

Biểu thức xác đ nh điện trở suất của mẫu màng mỏng cho thấy, khi đ iết giá tr chiều dày của màng mỏng chúng ta có thể xác đ nh điện trở suất từ giá tr thực nghiệm đo điện trở vuông. Từ thực nghiệm cho thấy đối với mẫu càng mỏng thì phép đo càng chính xác, trong trường hợp này giá tr của sai số trong phép đo điện trở vng có cùng thứ bậc so với sai số trong phép đo ng bốn mũi d

KẾT LUẬN CHƢƠNG 1

Trong chương này, chúng tôi đ trình ày tổng quan các vấn đề nghiên cứu và ứng dụng của PMT trên thế giới và tại Việt Nam, trong đó P T màng mỏng trên cở sở lớp hấp thụ CIGS được trình bày chi tiết.

Chúng tơi đ trình ày nhu cầu và khả năng phát triển của PMT nói chung và PMT màng mỏng CIGS nói riêng.

Cụ thể, với PMT màng mỏng CIGS, tồn tại lớn nhất cần khắc phục là các đặc trưng về hiệu năng hoạt động (d ng cực đại, thế cực đại, hiệu suất biến đổi năng lượng, hệ số lấp đầy) của loại pin này chưa cao khi sản xuất ở quy mô lớn và c n chưa ổn đ nh, tức là phụ thuộc rất nhiều yếu tố như thành phần, cấu trúc, công nghệ chế tạo

Chúng tôi đ đưa ra hướng giải quyết là nghiên cứu và chế tạo các lớp riêng rẽ của cấu trúc pin với phẩm chất mong muốn, tìm hiểu mối liên quan giữa điều kiện chế tạo với tính chất vật liệu, giữa các tính chất của các lớp riêng rẽ với hiệu năng hoạt động của toàn ộ cấu trúc Từ đó đưa ra cơng nghệ chế tạo các lớp chính của PMT CIGS tối ưu nhất.

Về các phương pháp chế tạo vật liệu màng mỏng cho PMT, chúng tôi chọn hai phương pháp: lắng đọng điện tử xung PED và lắng đọng điện hóa, đ y là hai phương pháp có sẵn trong phịng thí nghiệm hiện nay, cũng vì các phương pháp đó có các ưu điểm như đ trình ày chi tiết ở trên Và đặc biệt có thể khống chế điều kiện cơng nghệ để chế tạo được màng mỏng có chiều dày và hợp thức hóa học mong muốn, có thể áp dụng kết quả từ mơ phỏng cho các loại vật liệu CIGS đa lớp với các thông số về cấu trúc, nồng độ hạt tải.

Để nghiên cứu tính chất của vật liệu màng mỏng CIGS, ZnO và các thông số của linh kiện PMT chúng tôi sử dụng các phương pháp: nhiễu xạ Xray, đo hiệu ứng Hall, phổ hấp thụ UV-Vis… Đặc trưng dòng thế (I-V) ở chế độ sáng và tối của pin được khảo sát trên máy điện hóa Auto-Lab.

CHƯƠNG 2

MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ HOẠT ĐỘNG

CỦA PMT MÀNG MỎNG CIGS BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG AMPS-1D

ệ ự i, thế cực i, hiệu su t biế ổ ượng, hệ số l p ầ p màng mỏng CIGS ư ư ổ p ế ố ư: p ầ ệ ế ế ư ế học p ế ượ p p p ố p ượ ố ệ ế ệ p ệ ự ự ệ ư ế p ư p p ệ p ư p p p ỏ ệ 32, 33 p ỏ ư ố ư ệ ệ ệ p ế [16, 27, 46, 69]. C ư p ư p p p ỏng AMPS-1D (Analysis of Microelectronic and Photonic Structures -1 Dimension) và sử d ư kh o sát hiệ ng c a m t PMT màng mỏng CIGS.

2.1 Cấu trúc cơ bản và các tham số đặc trưng của PMT màng mỏng CIGS

2.1.1 Cấu trúc cơ bản của pin mặt trời CIGS

C u trúc c a m t PMT màng mỏng CIGS ược mô t ư Hình 2.1. [32] M t PMT màng mỏ CIGS n hình g m có các l p: 1-l p ế, 2-l p d ện ế, 3-l p h p th CIGS, 4-l p ệm, l p d ện trong suốt.

- L p ế: ường là th y tinh, lá kim lo i hay ch t dẻo. - L p d ệ ế: ường là kim lo i Mo [24, 75, 76].

- L p h p th : là ch t bán d n lo i p có c u trúc chalcopyrite CIGS v dày kho ng 1000 nm - 3000 nm, có vùng c m thẳng và hệ số h p th r t l n cỡ 5.105cm-1 [10] â t quyế nh khiến CIGS có th ó p h p th chỉ v e r ng vùng c m c a CIGS từ 1 0 ến 1,7 eV tùy thu c vào tỉ lệ gi a In và Ga [14, 29, 37, 38, 39, 48] ường tỉ lệ 70/30 ư ng v r ng vùng c m là 1,4 eV. Giá tr này trùng v i cực i c a phổ ượng m t trời.

Hình 2.1. Cấu trúc cơ bản của PMT với lớp hấp thụ CIGS.

- L p ệm: v t liệ ườ ược sử d ng là CdS (v dày kho ng 50 nm). M t phần p ó ư c sóng ngắn b h p th trong l p này. L p C S ược chế t o b p ư p p ắ ọng b hóa học (CBD), tuy nhiên CdS khá c h i nên h n chế trong sử d ng. Hiện t ườ t số hợp ch t thay thế và chế t o b ng nhi p ư p p I OH xSy, ZnSe, ZnS b p ư p p CBD Z Se b p ư p p ốc bay, ZnO b p ư pháp lắ ọ ện hóa [30]… Mơ hình AMPS ế (1 mm) Lư i Al ZnO (50 nm) CdS (80 nm) CIGS (1000 - 3000 nm) Mo (1µm) Ánh sáng

- L p d ện trong suốt (TCO): m t trên c a pin là l p d ện trong suốt, v i khe vùng Eg > 3,3 eV. L p d ện trong suốt có th ược chế t o từ các v t liệu d ư: ZnO, CdO, SnO2, In2O3, pha t p ư: ZnO:B, Al, In, Ga; SnO2:F (FTO) hay hợp ch t nhi u thành phầ ư: In2O3-SnO2 (ITO) [19, 52, 56, 58, 59, 83]… ối v i l p d ện trong suốt, hệ số ph n x càng th p thì hiệu ho ng c a pin càng cao. Do v y, việc t o l p chống ph n x b m t là r t cần thiết. Trên thực tế ường sử d ng hợp ch t MgF2.

Trong các l p t o nên c u trúc hồn chỉnh c a PMT, có ba l p ó trị quan trọ ó p h p th CIGS, l p ệm CdS và l p d ện trong suố Z O ó p h p th CIGS là bán d n lo i p, còn các l p CdS và l p ZnO là các bán d n lo i n. C ba l p u là ch t bán d n nên các thông số ầu vào là các tham số v các tính ch n c a ch t bán d ư: h ng số ện môi, hệ số h p th r ng vùng c m, n h t t ng h t t i. Ả ư ng c a sai hỏ ượ ến qua các tham số m , sự phân bố c a sai hỏng, tiết diện bắ ện tử và lỗ trống c a các tr ng thái sai hỏng. Phân bố ù ượng t i các m t phân cách ph thu r ng vùng c m và ái lực hóa học c a từng l p. Ngoài ra, các hiệu ng b m t c a l p ZnO và m CIGS ượ ến thông qua các tham số hệ số ph n x , tố tái hợp c ện tử và lỗ trống. Ngo i trừ các tham số ược chọ kh o sát, các tham số ược chọn từ số liệu thực nghiệm ho c các gi thiết thích hợp. Ho ng c p ược mô phỏ u kiện chiếu sáng tiêu chu n AM