Hình 1.2 mô tả sự hình thành của lớp tiếp xúc p-n khi cho hai lớp bán dẫn loại n và p tiếp xúc với nhau [4, 5].
Các nguyên tử trong một chất bán dẫn dưới ánh sáng mặt trời sẽ hấp thụ các photon từ bức xạ mặt trời. Nếu năng lượng các photon là đủ lớn, một điện tử ở vùng hóa tr sẽ sử dụng năng lượng hấp thụ được để nhảy lên vùng dẫn nơi mà nó được tự do trong chất bán dẫn. Dưới tác dụng của một điện trường các điện tử này đi đến các điện cực để tạo thành d ng Năng lượng của điện tử cần để nhảy từ vùng hóa tr lên vùng dẫn được gọi là độ rộng vùng cấm của bán dẫn. Để một PMT làm việc được cần phải có hai loại bán dẫn: bán dẫn loại n và bán dẫn loại p Trong đó loại n là loại được pha tạp các tạp chất mà có dư điện tử và loại p là loại thiếu điện tử tạo nên các lỗ trống. Khi hai bán dẫn được đặt tiếp xúc nhau gọi là lớp tiếp xúc p-n thì các điện tử từ bán dẫn loại n sẽ khuếch tán sang bán dẫn loại p để lại các lỗ trống phía sau cho đến khi đủ điện tử được làm giàu ở bán dẫn loại p và đủ lỗ trống được
15
tạo nên ở loại n và một điện trường ngược được hình thành rồi đạt đến trạng thái cân b ng.
Hình 1.2. Sự hình thành của lớp tiếp xúc p-n.
a) Sự phân bố điện tích tại lớp tiếp xúc; b) Sự phân bố điện trường; c) Sự chênh lệch điện thế của hai lớp tiếp xúc; d) Sơ đồ vùng năng lượng của tiếp xúc p-n.
Các photon ánh sáng được hấp thụ trong lớp tiếp xúc và tạo thành các cặp điện tử-lỗ trống. Kết quả là các điện tử tự do sẽ chạy qua lớp tiếp xúc p-n tới điện cực trong khi các lỗ trống thì chạy ngược lại Điện trường ở lớp tiếp xúc là tác nhân tạo nên dòng trong mạch ngoài Các điện tử sẽ chạy trong mạch và thực hiện công trước khi tái hợp với lỗ trống [32, 72].
Trong trường hợp không có mạch ngoài, do sự chênh lệch nồng độ hạt tải (điện tử và lỗ trống) ở hai điện cực của pin tạo ra một suất điện động Đó chính là suất điện động của pin. Giá tr này b giới hạn bởi thế tiếp xúc p-n.
1.2.2 Cấu tạo của pin
Loại pin cổ điển với một lớp tiếp xúc giữa hai chất bán dẫn cùng thành phần như mô tả trong hình 1.2 có nhiều hạn chế Cường độ ánh sáng, nguồn tạo các hạt
16
tải sẽ giảm theo hàm mũ của độ dày xuyên s u Và như vậy, nếu ánh sáng được chiếu tới từ phía bán dẫn loại n của pin, quá trình hấp thụ sẽ xảy ra chủ yếu ở vùng bán dẫn loại n mà trong khi hiệu quả tạo cặp lỗ trống-điện tử ở vùng bán dẫn loại p cao hơn nhiều. Có hai giải pháp để khắc phục tình trạng này: thứ nhất, giảm độ dày lớp bán dẫn loại n (thường được thực hiện với PMT silic); giải pháp thứ hai là sử dụng bán dẫn loại n có độ rộng vùng cấm rộng. Loại pin màng mỏng CIGS với cấu trúc ZnO/CdS/CIGS [8, 11, 13, 15, 28] là một ví dụ điển hình cho giải pháp thứ hai.
Lớp bán dẫn loại n sẽ đóng vai tr lớp cửa sổ
Hình 1.3. Cấu trúc vùng năng lượng của PMT dạng ZnO/CdS/CIGS.
Sơ đồ v ng năng lượng của một PMT có cấu trúc ZnO/CdS/CIGS được trình bày trên hình 1.3. Các photon có năng lượng nhỏ hơn 3,3 eV sẽ đi qua lớp cửa sổ ZnO. Những photon có năng lượng n m trong khoảng từ 2,4 đến 3,3 eV sẽ b hấp thụ bởi lớp đệm CdS, lớp mà được đưa vào vì một lý do công nghệ. Hầu hết các photon sẽ đi đến lớp CIGS và b hấp thụ mạnh ở lớp này CIGS cũng như CdTe là các bán dẫn có vùng cấm th ng với hệ số hấp thụ rất lớn và như vậy có độ dài hấp thụ rất ngắn, α-1 << μm Sự hấp thụ của lớp đệm CdS có thể được hạn chế bởi việc
17
giảm độ dày của lớp này hoặc pha tạp với nguyên tố khác để tăng độ rộng vùng cấm.
Để sử dụng PMT hiệu quả, không những đ i hỏi pin có hiệu suất chuyển đổi cao mà còn cần pin có kích thước lớn. So với pin tấm silic, PMT màng mỏng có thể được chế tạo rẻ hơn, với kích thước lớn hơn trên các loại đế thủy tinh, thép không rỉ, hoặc thậm chí trên các tấm polymer Và như vậy loại pin màng mỏng cũng sẽ nhẹ hơn pin tấm silic rất nhiều. Thời gian hoàn vốn của pin màng mỏng được ước tính là một năm trong khi của pin tấm Si là 2-3 năm
1.2.3 Đặc trƣng dòng-thế (I-V) [32]
PMT hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong của lớp tiếp xúc p-n khi được chiếu sáng, vì vậy đặc trưng d ng-thế của pin được mô tả giống như đặc trưng dòng-thế của một đi-ốt bán dẫn trong tối ở điều kiện l tưởng và có biểu thức:
0 1
qV
J J eAkT
(1.1) Trong đó, q là điện tích của điện tử, V là điện áp phân cực, k là h ng số Boltzmann, A là hệ số phẩm chất của đi-ốt, T là nhiệt độ tuyệt đối, J0 là mật độ dòng điện o h a và được xác đ nh:
0
p n
n p
p n
qD qD
J p n
L L
(1.2)
Trong đó, Dp, Dn là hệ số khuếch tán, Lp, Ln là chiều dài khuếch tán pn, np là nồng độ hạt tải không cơ ản tương ứng của lỗ trống và điện tử.
Trong điều kiện chiếu sáng, do quá trình phát sinh cặp điện tử-lỗ trống mới nên xuất hiện d ng quang điện chạy qua lớp tiếp xúc, có mật độ tương ứng JΦ. Do đó d ng tổng cộng chạy qua lớp tiếp xúc được xác đ nh như sau:
0 1
qV
J J eAkT J
(1.3)
18
Trong hoạt động của một PMT thực thì phương trình d ng-thế không thể được mô tả bởi phương trình (1 1) Điều này được giải thích là do sự có mặt của điện trở vật liệu bán dẫn khối, điện trở các tiếp xúc kim loại-bán dẫn, kim loại-kim loại. Tổng các điện trở này được gọi là điện trở nối tiếp RS.
Hình 1.4. Đặc trưng I-V của một PMT trong điều kiện tối (a) và chiếu sáng (b) Đặc trưng cho ảnh hưởng của nồng độ tạp chất trong lớp hấp thụ, sự không hoàn hảo của bề mặt cũng như d ng điện rò bề mặt của PMT lên hoạt động của pin được gọi là điện trở ngắn mạch rsh (shunt-resistance). Do đó mạch điện tương đương của một PMT thực được mô tả như trên hình 1.5.
Hình 1.5. Mạch điện tương đương của một PMT thực.
JΦ JD rsh
RL RS
19
Ta thấy r ng, đối với P T l tưởng thì giá tr RS → và giá tr rsh → ∞. Khi kể đến ảnh hưởng của các điện trở RS và rsh thì phương trình iểu diễn đặc trưng I-V của PMT thực được hiệu chỉnh từ phương trình (1 1) và có dạng:
0 1
q V R JS
AkT S
sh
V R J
J J e J
r
(1.4)
Ảnh hưởng của các điện trở RS và rsh lên đặc trưng I-V của PMT khi chiếu sáng được biểu diễn trên hình 1.6.
Hình 1.6. Ảnh hưởng của RS và rsh lên đặc trưng I-V của PMT khi chiếu sáng.
Ta thấy, khi RS tăng và rsh giảm thì hệ số lấp đầy và công suất cực đại của pin sẽ giảm. Nếu RS tăng quá lớn thì dòng ngắn mạch sẽ giảm mạnh, tương tự khi rsh giảm mạnh thì dẫn đến điện thế hở mạch cũng giảm mạnh.