Tính toán tối ưu

Phần trên tao khảo sát với trường hợp một bề dày xác định phản xạ các bước sóng từ 280nm – 1150nm ứng với màng ¼ bước sóng 600 nm ứng với vật liệu SiN tạo ra từ máy PlasmaLab 80plus, nhưng bề dày đó chưa nhận định được là phản xạ lại ít nhất số photon trong khoảng bước sóng ta quan tâm ở trên. Để tìm bề dày có số photon phản xạ lại ít nhất ta sẽ tiến hành khảo sát số photon phản xạ lại theo tất cả các bề dày , ta sử dụng file Code 8: test1layer_type2.m để khảo sát. Phổ mật độ năng lượng mặt trời được dùng ở đây là Globaltilt: AM 1.5 Global (Hình 3-5), màng đơn lớp Silicon Nitride như trên được phủ trên đế c-Si. Chọn lựa khoảng bước sóng như ở phần trên đo vật liệu ta sử dụng và do giới hạn dữ liệu từ phổ mật độ năng lượng ta có. Việc lựa

chọn khoảng bước sóng là bước lấy chuẩn để ta xử lý do chiết suất nhận được từ máy Filmtek và phổ mật độ năng lượng Globaltilt: AM 1.5 không cùng tương ứng bước sóng. Do đó ta sử dụng file Code 6: Hàm locchunglambda.m để giải quyết vấn đề này. Nhưng phổ mật độ năng lượng nhận được rất rời rạc, ta sử dụng file Code 7: Hàm noisuy.m theo phép nội suy tuyến tính không làm biến dạng dáng điệu của đường dữ liệu mà tăng độ mịn theo tiêu chuẫn của vector2 lambda ta nhập vào.

Phần đầu khi chạy chương trình Code 8: test1layer_type2.m là để khảo sát tại một bề dày xác định với vật liệu lựa chọn phủ màng là Silicon nitride hay Silicon dioxide. Chương trình sẽ cho ta biết bề dày ¼ sóng của bước sóng mà ta quan tâm khi ta nhập vào “buoc song khao sat”, ví dụ với vật liệu SiN là 500(nm) thì bề dày ¼ sóng 500nm xuất ra là 62.1272 (nm) và tỉ lệ photon phản xạ lại là 0.1150 hay 11,5% được xác định theo công thức (4.1). ‘Reflection flux’ là số photon phản xạ lại, được giải thích ở công thức (4.1) tương ứng với tử số của công thức. ‘Incident flux’ tương ứng với mẫu số. Kết quả như Hình 4-10. Nhận thấy có sự cực tiểu phản xạ ứng với bước sóng 500nm phù hợp với tính chất của màng ¼ sóng 500nm

Hình 4-10: Phổ hệ số phản xạ và phổ phản xạ màng SiN – Pecvd đế c-Si tại bề dày ¼ sóng 500nm

2 Khái niệm của Malab

Hình 4-11: So sánh phổ Reflection % mẫu SiO2pres12 tại bề dày 343,92nm

Trong quá trình khảo sát ta chọn vật liệu SiO2pres12 để phủ màng trên cùng của lớp ARC ( xem phụ lục) thì khi sử dụng file này cho trường hợp một màng SiO2 trên đế c- Si, ta chọn bước sóng làm tiêu chuẫn 450-850nm để phù hợp với khoảng dữ liệu phổ phản xạ R% từ máy Filmtek tại bề dày xác định 343,92nm. Nhận thấy hai phổ hệ số đồng dạng và gần nhau.

Ta không khảo sát theo cách nhập từng lần bề dày ¼ sóng hay bề dày bất kỳ nào khác vì chọn cực tiểu phản xạ tại một bước sóng cho dù bước sóng đó tương ứng với cực đại năng lượng chiếu tới trong phổ Spectrial irradiance (Hình 3-5). Vì trong khoảng bước sóng có thể hấp thu, ta quan tâm là số photon tạo hạt tải là nhiều nhất hay cực tiểu số photon phản xạ. Tiến hành khảo sát hệ số phản xạ R được xét theo các bước sóng lambda ta tạo làm chuẫn từ phần trước và theo khoảng bề dày 0-1000nm với bước nhảy là 1nm thực hiện ở phần tiếp của code cho kết quả như Hình 4-12 :

Hình 4-12: Kết quả tính toán hệ số phản xạ là hàm của bề dày và bước sóng.

Ta nhận thấy với hầu hết bề dày khảo sát, bước sóng ngắn 280-400nm bị phản xạ lại mạnh hơn so với các bước sóng dài, bề dày càng lớn thì sự phản xạ lại các bước sóng càng nhiều. Hệ số phản xạ R tính toán (RS( ) trong (4.1)) xét tại một bề dày xác định, lấy tích phân theo toàn bộ bước sóng khảo sát tương ứng mật độ năng lượng chiếu tới như nhau với tất cả bước sóng là đồ thị ‘ko xet SI’ ở Hình 4-13, được vẽ ra chỉ để tham khảo sự khác biệt khi không xét sự khác biệt về mật độ năng lượng chiếu tới. Đồ thị ‘xet SI’ tương ứng với đồ thị hàm (4.1), trong code tính toán tìm điểm cực tiểu của đồ thị này, ứng với màng SiN số photon phản xạ cực tiểu là 9% ứng với bề dày 80nm ứng với phổ AM 1.5 Global

Hình 4-13: Hệ số phản xạ lấy theo toàn bộ bước sóng tương ứng với bề dày xác định màng chống phản xạ SiNx, số photon phản xạ cực tiểu là 9% ứng với bề dày 80nm ứng với phổ AM

1.5 Global

Nếu sử dụng vật liệu SiO2 thì bề dày tối ưu ứng với phổ chiếu tới AM 1.5 của trường hợp màng đơn lớp là 110nm theo tính toán này nhưng với độ phản xạ là 15% (Hình 4-14 và Hình 4-15). Cao hơn so với việc sử dụng màng Silicon nitride (cả hai màng đều được tạo từ máy PECVD plasmalab 80plus)

Hình 4-14: Sự phản xạ của các bước sóng và tối ưu bề dày màng SiO2 cho việc chống phản xạ

Hình 4-15: Sự phản xạ của các bước sóng và tối ưu ARC bề dày màng SiO2

Trong Hình 4-15 là trường hợp sử dụng chiết suất đế c-Si dạng phức trong tính toán mô phỏng. Nhận thấy dáng điệu của đồ thị thu được cùng giá trị cực tiểu phản xạ, tuy nhiên có sự phản xạ mạnh hơn tại các bước sóng ngắn.

Chương 5

Màng hai lớp chống phản xạ cho pin mặt trời 5.1 Lựa chọn chiết suất và tính toán tối ưu

Ta sử dụng hai vật liệu Silicon nitride và Silicon dioxide tạo từ máy PECVD plasmalab 80plus tương ứng với điều kiện lấy từ các nghiên cứu trước của nhóm, phủ lớp chống phản xạ SiNx (Ty le 25:50, 1000mtorr, 300 C, 20W.) tại phòng thí nghiệm LNT và mẫu SiO2pres12 (xem Bảng 3)

Hình 5-1: Chiết suất vật liệu sử dụng tạo màng chống phản xạ

Ta phủ màng SiO2 trên cùng do chiết suất của vật liệu này thấp hơn so với Silicon nitride. Theo như mục 3.2.4 đã xem xét về sự truyền sóng từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường kém chiết quang hơn ta có hiện tượng phản xạ toàn phần ứng với góc tới CRIT tức các sóng phản xạ từ các mặt tiếp giáp phía trong sẽ bị phản xạ lại nhiều hơn khi góc tới tiến gần và lớn hơn góc CRIT.

5.1.1 Tính toán tối ưu

Ta sử dụng file Code 9: R_2layer_type2.m để tìm bề dày tối ưu cho trường hợp hai màng SiOx và SiNx như nêu trên. Ma trận truyền cho hệ hai màng này được tìm bởi file Code 4: Check_transfermatrix_type2.m với n n n n0, ,1 2, 3 lần lượt là chiết suất không khí theo các bước sóng và cũng được xử lý Code 7: Hàm noisuy.m và Code 6: Hàm locchunglambda.m do vấn đề khó khăn đã nêu khi xử lý với trường hợp một màng,

200 400 600 800 1000 1200 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 R e fra ct ive i n d e x Wave length (nm) SiNx SiOx-pres12(1800mTorr)

màng SiOx, màng SiNx và đế c-Si, d d1, 2là bề dày màng SiOx và SiNx tính theo thang nanomet, bề dày đế được coi là vô hạn. Nhiệm vụ chính của file này là xuất ra dữ liệu hệ số phản xạ R d d( ,1 2), là hệ số phản xạ tại bề dày d d1, 2 xác định rồi được lấy tích phân theo toàn bộ bước sóng có xét tới phổ mật độ năng lượng (xem Hình 3-5) tương ứng công thức (4.1). Trong code có cho sự lựa chọn loại phổ, ta chọn phổ AM 1.5 Global, bước sóng khảo sát 280-1150nm và bề dày tương ứng cả hai màng 0-1000nm, bước nhảy cho khoảng bề dày khảo sát là hiệu số giữa hai bề dày liên tiếp được chọn là một. Kết quả cho ta tỉ lệ photon phản xạ lại như Hình 5-2. Thời gian tính toán khá lâu với khoảng khảo sát này do ta chưa biết được sự phản xạ cực tiểu trong khoảng nào, việc chọn lựa bước nhảy lớn hơn cho khoảng bề dày khảo sát sẽ rút ngắn thời gian hơn.

Hình 5-2: Tỉ lệ photon phản xạ lại với phổ chiếu tới AM 1.5 Global theo các bề dày khác nhau. (d1 là bề dầy lớp SiOx, d2 là bề dầy lớp SiNx)

Hệ số phản xạ tổng hợp (tỉ lệ photon phản xạ lại lấy tích phân theo toàn bộ bước sóng quan tâm) tương ứng với các bề dày màng d d1, 2 được mô tả như Hình 5-2, ta nhận thấy đa phần các giá trị của d d1, 2 cho giá trị hệ số phản xạ R thấp hơn so với trường hợp một màng (Hình 4-13 và Hình 4-14), màng d2_SiNx có bề dày mỏng hơn

100nm thì ta thu được nhiều trường hợp phản xạ thấp hơn . Sự phản xạ lại mạnh hơn nếu hai màng có bề dày dưới 50nm.

Hình 5-3: Bề dày tối ưu là d_SiO: 84 nm, d_SiN: 64 nm, tỉ lệ số photon phản xạ lại 6.95%

Phần sau của code cho phép ta khảo sát với khác bề dày khác nhau của d d1, 2 để chúng ta so sánh với quan niệm về bề dày ¼ sóng và cho ra giá trị về hệ số phản xạ tổng hợp (hay tỉ lệ photon phản xạ lại )

5.1.2 Số liệu thực nghiệm

Bảng 4: Báo cáo màng chống phản xạ hai lớp

Mẫu

SiNx (Times:

4min) SiO2 (Times: 1min) Bề dày (nm)

SiH4 NH3 SiH4 N2O L1 L2

2 layer_1 25 50 15 700 79.26 57.22

2 layer_2 25 50 20 700 81.86 61.53

5.2 Đánh giá và so sánh 5.2.1 Đánh giá 5.2.1 Đánh giá

Ta thực hiện một số mẫu hai màng như đã nêu ở Bảng 4 mục 5.1.2. Phần này, ta so sánh sự đúng đắn của dự đoán từ định hướng tính toán, tức là không phải đặt nặng vấn đề giá trị tính toán phải đúng khớp với giá trị thực nghiệm vì mô hình tính toán đã lý tưởng hóa một số yếu tố như bề dày là phẳng tuyệt đối, đế dày vô hạn để không sự đóng góp sóng ánh sáng từ bờ phải của đế. Ngoài ra, quá trình lắng đọng không thể cho mặt phẳng màng là phẳng tuyệt đối do sự hình thành từng cụm liên kết với nhau tạo thành màng của các sản phẩm phản ứng trong plasma, cũng như sự tồn tại tâm tán xạ do khuyết tật trong màng.

Hình 5-5 : Phổ hệ số phản xạ R%. Khi chú ý tới chiết suất của c-Si là phức thì đường tính toán có khác đi. R% = 8.23 200 400 600 800 1000 1200 0 10 20 30 40 50 60 R e fl e ct io n (% ) wavelenght (nm) cal2(SiN:79.26: SiO: 57.22) M1(SiN:79.26-SiO:57.22) cal(SiN:79.26: SiO: 57.22)

Quan trọng là sự khớp nhau ở đáy phổ R% vì sự đóng góp cực tiểu phản xạ của nó tích cực hơn so với hai bờ bên. Theo như tính toán ở Hình 5-2, với các bề dày có độ lớn gần nhau thì tỉ lệ photon phản xạ không có sự biến thiên lớn đột ngột. Nên khi xác định vùng cực tiểu, thì ta khảo sát thực nghiệm vùng quanh bề dày đó.

Phổ M1 (Hình 5-5) tương ứng với mẫu thật chế tạo bằng PECVD có bề dày màng SiN: 79.26nm, SiO: 57.22nm phủ trên cùng, phổ hệ số phản xạ được đo từ hệ thống UV-Vis sử dụng quả cầu tích phân. Phổ cal2 là phổ tính toán tương ứng với cấu trúc của mẫu thực nghiệm có sự xét tới chiết suất phức của c-Si, phổ cal là phần tính toán chỉ sử dụng chiết suất thực của c-Si. Tương tự với mẫu M2(Hình 5-6). Từ sự gần khớp về dạng đồ thị và khớp vùng đáy, ta nhận thấy, tương tự với trường hợp một màng ARC, tính toán cho trường hợp hai màng phù hợp sử dụng cho dự đoán cực tiểu phản xạ.

Hình 5-6: Phổ hệ số phản xạ R%. Khi chú ý tới chiết suất của c-Si là phức thì đường tính toán có khác đi. R% = 8.38

5.2.2 Sự dịch chuyển đáy phổ

Ta khảo sát quanh vị trí bề dày cần quan tâm, với sự thay đổi ít về bề dày thì hệ số phản xạ không thay đổi nhiều. Để định hướng về sự thay đổi bề dày nhằm đạt được phổ cần thiết ta quan tâm tới sự dịch chuyển của đáy phổ (sử dụng Code 9)

200 400 600 800 1000 1200 0 10 20 30 40 50 60 R e fl e ct io n (% ) wavelenght (nm) cal2(SiN:81.86: SiO: 61.53) M2(SiN:81.86-SiO:61.53) cal(SiN:81.86: SiO: 61.53)

Hình 5-7: Sự dịch chuyển của đáy phổ hệ số phản xạ R

Từ dữ liệu của Hình 5-7, nếu như ta mong muốn đáy phổ lân cận 600 nm thì ví dụ chọn bề dày (tính toán) d1_SiO = 60nm, d2_SiN = 50nm thì ta có kết quả như Hình 5-8

5.2.3 So sánh độ phản xạ tính toán các loại màng

Ta sẽ sử dụng với độ dày từng màng với các trường hợp lưu ý sau : Bảng 5: Qui ước kí hiệu bề dày màng so sánh Bề dày ¼ sóng 600nm Bề dày tối ưu ARC

trường hợp một màng Chiết suất Độ lớn Kí hiệu Độ lớn Kí hiệu

Silicon

dioxide 102.8807 nm qw 80 nm. opt 1.4580

Silicon

nitride 75.4907 nm 110 nm 1.9870

Đồ thị Hình 5-9 mô tả hệ số phản xạ theo các bước sóng khác nhau với bề dày màng SiO và SiN như qui ước như Bảng 5.

Với mẫu tính toán 2layer_opt là mẫu tối ưu hóa chống phản xạ bề dày hai màng, 2layer_trans_opt là hoán đổi độ lớn bề dày hai màng đó. Chỉ số sau cùng ở phần ghi chú cho đồ thị là giá trị hệ số phản xạ

Hình 5-9: Trường hợp chiếu vuông góc. Hệ số phản xạ ứng với các bề dày khác nhau của hai màng khi đã xét tới sự hấp thụ của Silicon. Không có sự khác biệt nhiều với các bản ¼ sóng

kết hợp với bề dày tối ưu trường hợp một màng

Mẫu SiOqwSiNqw tức xét trường hợp màng SiO bề dày ¼ sóng 600nm phủ trên màng SiN bề dày ¼ sóng 600nm , và SiOqwSiNopt tức màng SiO bề dày ¼ sóng 600nm trên màng SiN bề dày trường hợp một màng tối ưu. Ta nhận thấy vùng đáy các mẫu đều nhỏ hơn so với mẫu tối ưu bề dày ARC 2layer_opt. Khi khảo sát tương ứng bề dày trong thực nghiệm, ta chỉ có thể tạo những mẫu bề dày gần với bề dày mong muốn và có phổ phản xạ đồng dạng với mô phỏng và gần khớp (Hình 5-5, Hình 5-6). Tuy nhiên sự phản xạ của các mẫu có bề dày gần nhau là không khác biệt theo như thực nghiệm (Hình 5-5, Hình 5-6) cũng như tính toán (Hình 5-9) cho thấy vị trí tương đối của dữ liệu trong đồ thị phản xạ của các mẫu tính toán với nhau, tương tự như mẫu thực nghiệm với nhau khi ta xét cùng giá trị bề dày các màng. Do đó, sự dịch chuyển của đáy phổ phản xạ của mô phỏng và thực nghiệm là cùng chiều, nên có thể sử dụng dữ liệu ở Hình 5-7 để định hướng tìm vị trí cực tiểu phản xạ thực từ khu vực bề dày cho cực tiểu phản xạ (Hình 5-2 mô phỏng) bằng cách trước tiên chọn chiều tiến cho vùng màu (đại diện cho bước sóng tại vị trí đáy phổ phản xạ), sau đó chọn chiều thay đổi cho d1(SiO) và d2(SiN) theo chiều tiến vùng màu đã chọn. Như mẫu M1 và M2 có bề dày tương ứng vùng có màu vàng (đáy tại vị trí quanh bước sóng 800nm ), tăng d1 và d2 thì đáy phổ tiến về phía bước sóng lớn (màu đỏ).

Việc giới hạn khoảng bước sóng khảo sát trong Code 9 ta sẽ có bề dày tối ưu khác nhau, do ta tối ưu chống phản xạ ứng với phổ AM 1.5 Global không có đồng đều về mật độ năng lượng của các bước sóng tới. Hệ số phản xạ tương ứng bề dày xác định hiễn nhiên là không đổi khi ta thay đổi khoảng bước sóng quan tâm.

Kết luận và hướng phát triển

Tối ưu hóa chống phản xạ tại bề mặt của tế bào quang điện một lớp tiếp xúc p-n được xem xét với phổ mật độ năng lượng phổ mặt trời nghiêng góc chiếu bề dày gấp 1,5 lần so với phương thẳng đứng (Global tilt AM 1.5) là sự cực tiểu hóa số photon có

Phóng điện phát quang không cân bằng

Tương tác của sóng phẳng với môi trường