Luận Văn Pha tạp đậm lớp n+ và p+ trên đế Si - Ứng dụng chế tạo pin mặt trời tiếp xúc p-n cơ bản và pin mặt t

(Luận văn rất hoàn chỉnh, dài 101 trang)


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

LỜI MỞ ĐẦU 11

I.1.Tìm hiểu về Pin Mặt Trời – các loại Pin Mặt Trời cơ bản 12

I.1.1. Tìm hiểu chung về Pin Mặt Trời 13

I.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một Pin Mặt Trời cơ bản 14

I.1.3. Một số loại Pin Mặt Trời Silic tiếp xúc p-n 15

I.1.4. Sơ lược về các loại Silic 17

I.1.4.1.Silic đơn tinh thể (c-Si, crystal Silicon) 18

I.1.4.2.Silic vô định hình ( a-Si, amophous Silicon) 19

I.1.4.3.Silic nano/ micro tinh thể (nc/ c-Si): 22

I.2.Các quá trình vật lý chính của Pin Mặt Trời Silic 23

I.2.1. Các khái niệm cơ bản 23

I.2.1.1. Bán dẫn thuần – bán dẫn pha tạp 23

I.2.1.2: Pha tạp đậm n+ và p+ bằng phương pháp khuếch tán nhiệt 26

I.2.1.3: Sự phân bố hạt tải trong bán dẫn ở trạng thái cân bằng (bán dẫn đặt trong tối) 30

I.2.2. Các quá trình vật lý chính trong Pin Mặt Trời 32

I.2.2.1. Quá trình hấp thụ photon 32

I.2.2.2: Quá trình tách hạt tải, tạo dòng quang điện 38

I.2.3. Đặc trưng I-V của Pin Mặt Trời 42

I.2.3.1. Mật độ dòng chuyển tiếp trong nối p-n 42

I.2.3.2. Đặc trưng I-V của Pin Mặt Trời: 45

I.3. Hiệu suất của Pin Mặt Trời: 46

I.3.1.Hiệu suất chuyển đổi từ quang năng sang điện năng của Pin Mặt Trời 46

I.3.1.1. Xác định hiệu suất chuyển đổi của Pin: 46

I.3.1.2. Xác định công suất cực đại của Pin 47

I.3.2. Làm tăng hiệu suất chuyển đổi từ quang năng sang điện năng 48

I.3.2.1. Chọn vật liệu làm đế bán dẫn phù hợp 48

I.3.2.2. Chọn điện cực kim loại 48

I.3.2.3 Điện cực trong suốt: 51

I.3.3. Các phương pháp làm tăng khả năng tập trung ánh sáng vào Pin: 52

I.3.3.1. Sự hao hụt phổ năng lượng chiếu sáng: 52

I.3.3.2.Các Phương pháp tăng cường độ ánh sáng chiếu vào Pin: 52

PHẦN II: THỰC NGHIỆM 55

II.1.Khảo sát và chế tạo các đơn lớp bán dẫn cơ bản và các điện cực 57

II.1.1Xử lí bề mặt đế Si 57

II.1.1.1 Tiến trình thực nghiệm 57

II.1.1.2: Kết quả và thảo luận: 59

II.1.2: Tạo lớp n+Si bằng cách pha tạp Phôtpho 61

II.1.2.1 Tiến trình thực nghiệm 61

II.1.2.2 Kết quả và thảo luận 63

II.1.3 Tạo lớp p+Si bằng cách pha tạp Nhôm 64

II.1.3.1 Tiến trình thực nghiệm 64

II.1.3.2 Kết quả và thảo luận 66

II.1.4 Tạo điện cực lưới nhôm 67

II.1.4.1 Tiến trình thực nghiệm 68

II.1.4.2 Kết quả và thảo luận 69

II.2 Chế tạo linh kiện pin mặt trời cơ bản dựa trên cấu trúc 1 tiếp xúc p-n 70

II.2.1Tạo pin theo cấu trúc bề mặt 72

II.2.1.1 Tiến trình thực nghiệm 73

II.2.1.2 Kết quả và thảo luận 74

II.2.2. Tạo pin theo cấu trúc phân lớp 78

II.2.2.1 Tiến trình thực nghiệm 78

II.2.2.2 Các phép đo và kết quả 79

II.2.3:Ảnh hưởng của màng ZnO 81

II.2.3.1: Tiến trình thực nghiệm 81

II.2.3.2: Kết quả và thảo luận 83

II.3: Khảo sát sự thay đổi các tính chất và hiệu suất khi thêm một lớp a-SiH vào cấu trúc pin 86

II.3.1: Sơ lược về PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 86

II.3.2 Tạo màng Si:H loại i (thuần) 88

II.3.2.1 Tiến trình thực nghiệm 88

II.3.3 Tạo cấu trúc Pin p-i-n 91

PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 92

PHỤ LỤC I : CÁC THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠT: 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100



DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình I.1: Sân vận động ở Đài Loan sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện

Hình I.1.1a: mô hình Pin Mặt Trời đầu tiên

Bảng I.1.1b: Các loại Pin Mặt Trời hiện nay

Hình I.1.2: Mô hình cấu tạo Pin Mặt Trời tiếp xúc p-n cơ bản

Hình I.1.3a: Mô hình Pin tím (Violet Cell)

Hình I.1.3b: sơ đồ cấu tạo pin PERL

Hình 1.1.3c: Cấu trúc Pin Mặt Trời vô định hình Silic (a-Si:H) dạng tiếp xúc đơn p-i-n

Hình I.1.4.1a: Cấu trúc mạng tinh thể Silic

Hình I.1.4.1b: Liên kết cộng hóa trị trong nguyêntử Silic

Hình I.1.4.1c: Cấu trúc vùng năng lượng

Hình I.1.4.2a: các dạng biểu diển cho cấu trúc Silic vô định hình

Hình I.1.4.2b: a) Một( nút khuyết trong mạng Silic và (b) Liên kết bất bão hòa (dangling bond).

Hình I.1.4.2c : Sự xuất hiện “đuôi” trong vùng cấm do mất trật tự xa của (a) a-Si:H và (b) nc/c- Si:H.

Hình I.1.4.3: Cấu trúc của nc/àc-Si.

Hình I.2.1.1a: sự phụ thuộc của nồng độ hạt tải thuần nI vào độ rộng vùng cấm Eg và nhiệt độ

Hình I.2.1.1b: mô hình và giản đồ năng lượng của bán dẫn loại n

Hình I.2.1.1c: Mô hình và các mức năng lượng trong bán dẫn loại p

Bảng I.2.1.2: Các loại nguyên tố dùng doping cho đế Silic

Hình I.2.1.2a : Hai dạng pha tạp vào bên trong mạng tinh thể: thay thế (a) và (b) xen kẻ (c)

Hình I.2.1.2b: Sự phụ thuộc của nồng độ pha tạp vào nhiệt độ

Hình I.2.1.2c: Sự phụ thuộc của độ sâu khuếch tán vào thời gian lưu nhiệt

Hình I.2.1.3: Hàm mật độ trạng thái các hạt tải

Hình I.2.2.1a: Giản đồ năng lượng của (a) bán dẫn trực tiếp,( b) bán dẫn gián tiếp

Hình I.2.2.1b: hệ số hấp thụ của một số vật liệu

Hình I.2.2.1c: nồng độ hạt tải thay đổi khi có photon chiếu vào.

Hình I.2.2.1d: Photon chiếu qua bán dẫn có bề dày dx

Hình I.2.2.2a: Giản đồ vùng năng lượng khi bán dẫn ở trạng thái cân bằng

Hình I.2.2.2b: Trường hợp chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng.

Hình I.2.2.2c : Trường hợp hóa năng không chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng

Hình I.2.3.1: Các vùng sinh hạt tải trong Pin Mặt Trời.(chấm đen là electron, chấm trắng là lỗ trống)

Hình I.2.3.2: Đặc trưng I-V của Pin Mặt Trời

Hình I.3.1.2: Xác định công suất cực đại của Pin

Bảng I.3.2.2: Công thoát một số điện cực thường dùng

Hình I.3.2.2a: trước và sau khi tiếp xúc kim loại và bán dẫn loại N

Hình I.3.2.2b: trước và sau khi tiếp xúc kim loại và bán dẫn loại P

Hình I.3.2.2c: Tạo tiếp xúc Ohmic bằng cách pha tạp đậm

Hình I.3.2.2d: Đặc trưng I-V của tiếp xúc Ohmic và Schottky

Hình I.3.3.1: Sự hao hụt năng lượng phổ chiếu sáng của mặt trởi chiếu xuống Trái Đất

Hình I.3.3.2a: Sử dụng hệ thấu kính hội tụ làm tăng hiệu suất Pin

Hình I.3.3b: bề mặt chống phản xạ dang kim tự tháp và một dạng Pin có bề mặt chống phản xạ

Hình I.3.3c: Ánh sáng truyền qua Pin màng mỏng bi phản xạ trở lai

Hình II.1.1.1a: Máy siêu âm Jac Ultrasonic 1050 Jinwoo

Hình II.1.1.1b:lò sấy SPT 200

Hình II.1.1.1c: Hệ điều nhiệt bằng điện trở.

Bảng II.1.1.2a: bề mặt của mẫu Si sau khi rửa

Bảng II.1.1.2b: bề mặt của mẫu Si sau khi rửa và ăn mòn bề mặt

Hình II.1.1.2c: bề mặt của mẫu Si sau khi rửa và ăn mòn bề mặt

Hình II.1.2.1a: hệ thống hút chân không

Hình II.1.2.1b buồng nung mẫu

Hình II.1.2.1c hút chân không cho buồng

Hình II.1.2.1d: nung mẫu bằng lò Elektro Usarmar – RK42

Hình II.1.3.1a Hệ bốc bay chân không.

Hình II.1.3.1b: Buồng chân không của hệ bốc bay.

Hình II.1.4: Tạo tiếp xúc Ohmic bằng hiệu ứng xuyên hầm lượng tử.

Hình II.1.4.1: Các dạng mask

Hình II.1.4.2a: điện cực nhôm song song

Hình II.2a Các thành phần cơ bản của Pin Mặt Trời

Hình II.2b: Cấu trúc bề mặt

Hình II.2c: Cấu trúc phân lớp

Hình II.2.1a Sơ đồ khối các bước thực hiện pin p-n loại 1

Hình II.2.1b a) mẫu trước khi ăn mòn b )mẫu sau khi ăn mòn

Hình II.2.1.2a: Mẫu Al n+(P800N)-p-Al

Hình II.2.1.2b:Mẫu Al-n+(P800N)-p-p+(Al800N)-Al

Hình II.2.1.2c: Mẫu Al(200)-n+(P900CK)-p-p+(Al800N)-Al(200)

Hình II.2.1.2d: Mẫu Al(200)-n+(P900CK)-p-p+(Al800KK)-Al(200)

Hình II.2.1.2e: Mẫu Al(200)-n+(P900CK)-p-p+(Al800KK)-Al(200)

HìnhII.2.2.1: Etching bằng phương pháp thả nổi

Hình II.2.2.2a: Mẫu0,52mm Al(200)n+(P900CK)pp+(Al 500N

Hình II.2.2.2b: Mẫu0,38mm Al(200)n+(P900CK)pp+(Al 500N

Hình II.2.2.2c: Mẫu0,18mm Al(200)n+(P900CK)pp+(Al 500N)

Hình II.2.3.1: quá trình tạo ZnO bằng phương pháp sol-gen

Hình II.2.3.2a: phổ truyền qua của màng ZnO:Al bằng phương pháp sol-gen.

Hình II.2.3.2b: ảnh chụp SEM lớp ZnO

Hình II.2.3.2c: So sánh hai mẫu trước và sau khi phủ ZnO

Hình II.2.3.2d: Quá trình tái hấp thụ

Hình II.3.1a: Các quá trình chính trong PECVD.

Hình II.3.1b: Hệ PECVD bộ môn VLCR.

Hình II.3.2.2b: Phổ Raman của màng có R=5 và các đỉnh “fit” Gauses

Hình i.1.1: Máy Stylus profiler Veeco Detak 6M.

Hình i.2.1: Hệ đo Hall: (a) thân máy, (b) nam châm vĩnh cửu tạo từ trường, (c) bộ giữ mẫu.

Hình i.2.2: hình minh họa cách đo mẫu trong máy hall

Hình i.3.1: Máy đo hồng ngoại.

Hình i.3.2: Máy UV-Vis Jasco V530

Hình i.4.1: Hệ đo đặc trưng I-V pin mặt trời.

Hình i.4.2: cách mắc mạch đo đặc trưng I-V.

Hình i.5.1: Máy SEM JMS-6480LV. I-V.




LỜI MỞ ĐẦU


Năng lượng là một nhu cầu thiết yếu của con người để tồn tại và phát triển. Trong đó, dạng năng lượng được sử dụng phổ biến nhất là điện năng vì chúng có thể phục vụ cho hầu hết mọi lĩnh vực trong đời sống. Những nguồn điện phổ biến hiện nay là thủy điện, điện hạt nhân, nhiệt điện Nhưng nhìn chung những nguồn cung cấp điện này không đáp ứng được yêu cầu của con người về lâu dài, đặc biệt là do những hậu quả mà chúng để lại cho môi trường. Do đó con người phải tìm một nguồn năng lượng mới để thay thế trong tương lai. Sử dụng năng lượng mặt trời là một giải pháp hứa hẹn nếu chúng ta có thể khai thác một cách hiệu quả. Vì đây là một nguồn năng lượng sạch và gần như vô tận. Từ khi pin mặt trời ra đời lần đầu tiên vào giữa thập niên chín mươi đã mở ra một hướng mới cho việc sử dụng năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, cho đến nay Pin Mặt Trời vẫn chưa được sử dụng phổ biến do giá thành cao và hiệu suất còn thấp. Các nhà khoa học và nhà sản xuất trên thế giới đã và đang không ngừng tìm kiếm những giải pháp để nâng cao hiệu suất và giảm giá thành của Pin Mặt Trời.

Riêng ở nước ta, tình trạng thiếu điện thường xuyên đã gây ra không ít thiệt hại cho nền kinh tế và ảnh hưởng đến đời sống, sinh hoạt của người dân. Điều này đòi hỏi phải có thêm nguồn năng lượng mới bổ sung vào những nguồn năng lượng hiện có.

Từ những lý do trên cùng với sự định hướng và dẫn dắt của Thầy hướng dẫn, trong đề tài này chúng tôi thực hiện bước đầu tìm hiểu lý thuyết và tiến hành chế tạo Pin Mặt Trời có cấu trúc cơ bản p-n và Pin Mặt Trời có cấu trúc p-i-n dựa trên đế Silic đơn tinh thể loại p. Nhằm phục vụ cho việc chế tạo pin, chúng tôi cũng tiến hành chế tạo và nghiên cứu một số tính chất của các đơn lớp n+ và p+ dựa trên phương pháp nhiệt khuếch tán. Ngoài ra chúng tôi còn khảo sát thêm một số đặc trưng của các lớp điện cực và lớp chống phản xạ bề mặt.