Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------------

O C TUN
NGHIấN CU CH TO V MT S TNH CHT VT
Lí CA CC LP MNG BN DN H THIC
SUNPHUA (p-SnS), (n-SnS2), (n-Sn2S3) NH HNG NG
DNG TRONG PIN MT TRI TH H TH 3 MI
THN THIN VI MễI TRNG

Luận văn thạc sỹ khoa học

Ngời hớng dẫn khoa học
ts. Phỳc Hi

Hà Nội- 2011


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................... 4
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................10
1.1 Pin Mặt trời .................................................................................................10
1.1.1 Nguyên tắc hoạt động của pin Mặt trời ..............................................10
1.1.2 Hiệu suất của pin Mặt trời ..................................................................11

Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
3.2.1 Tính chất Vật lý của màng SnS không pha tạp ..................................58
3.2.2 Tính chất Vật lý của màng Sn1-xCuxS (x =0, 0,10 và 0,15). ..............63
3.3 Tính chất Vật lý của màng SnS2. ................................................................73
3.4 Tính chất Vật lý của màng Sn2S3. ...............................................................77
KẾT LUẬN ...............................................................................................................81
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA LUẬN VĂN ....................................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................85

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
2


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng III.1: Kết quả phân tích thành phần của một số màng thiếc sunphua. ...........56
Bảng III.2: Thông số công nghệ chế tạo các màng thiếc sunphua ...........................57
Bảng III.3: Thành phần các nguyên tố trong màng SnS trước và sau khi ủ .............62
Bảng III.4: Kết quả phân tích phổ tán sắc năng lượng của màng Sn1-xCuxS ...........64
Bảng III.5: Bề rộng năng lượng vùng cấm Eg của các màng Sn1-xCuxS ...................71
Bảng III.6: Kết quả phân tích thành phần các màng Sn1-xCuxS trước và sau khi ủ .71
Bảng III.7: Kết quả phân tích hiệu ứng Hall bằng phương pháp Van Der Pauw ....72
của màng Sn0.90Cu0.10S ..............................................................................................72

Hình I.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng SnS chế tạo bằng ...............................29
phương pháp phun nhiệt phân. .................................................................................29
Hình I.14: Ảnh SEM chụp bề mặt các màng SnS chế tạo bằng phương pháp phun
nhiệt phân tại các nồng độ dung dịch a) 0,03M và b) 0,1 M [38]............................30
Hình I.15: Sự thay đổi của tỷ lệ Sn/S theo nồng độ dung dịch [38]. ........................31
Hình I.16: Phổ truyền qua của màng SnS chế tạo bằng ...........................................31
phương pháp phun nhiệt phân. .................................................................................31
Hình I.17: Sự biến thiên của năng lượng vùng cấm theo nhiệt độ của màng SnS chế
tạo bằng phương pháp phun nhiệt phân. ..................................................................32
Hình I.18: Sự thay đổi của độ linh động Hall và mật độ hạt tải theo nhiệt độ.........34
Hình I.19: Cấu trúc màng SnS2. ................................................................................35
Hình I.20: Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng SnS2 chế tạo bằng phương pháp nóng
chảy [49]. ..................................................................................................................35
Hình I.21: Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng Sn2S3 chế tạo bằng phương pháp phun
nhiệt phân. .................................................................................................................36

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
4


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
Hình I.22: Phổ truyền qua T và phản xạ R của màng Sn2S3 chế tạo bằng phương
pháp phun nhiệt phân. ...............................................................................................37
Hình I.23: Phổ truyền qua T của màng SnS2 chế tạo bằng phương pháp phun nhiệt
phân [31]. ..................................................................................................................38
Hình I.24: Đồ thị biểu diễn (αhν)2 phụ thuộc vào hν [27]. .......................................38

Khóa : 2009 – 2011
5


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
Hình III.19: Phổ hấp thụ của màng Sn0.90Cu0.10S sau khi ủ 2h. ................................67
Hình III.20: Phổ hấp thụ của màng Sn0.95Cu0.05S trước khi ủ, ủ 2h và 4h. ...............68
Hình III.21: Phổ hấp thụ của màng Sn0.90Cu0.10S không ủ, ủ 2h và 4h.....................68
Hình III.22: Phổ hấp thụ của màng Sn0.85Cu0.15S không ủ, ủ 2h và 4h.....................69
Hình III.23: Đồ thị (αhν)2 phụ thuộc vào hν của màng Sn0.95Cu 0.05S. ......................69
Hình III.24: Đồ thị (αhν)2 phụ thuộc vào hν của màng Sn0.90Cu 0.10S. ......................70
Hình III.25: Đồ thị (αhν)2 phụ thuộc vào hν của màng Sn0.85Cu 0.15S. ......................70
Hình III.26: Ảnh SEM và phổ tán sắc năng lượng EDS của màng SnS2. .................73
Hình III.27: Ảnh mapping thể hiện sự phân bố của các nguyên tố trong màng SnS2.
...................................................................................................................................74
Hình III.28: Phổ truyền qua và bề dày của màng SnS2. ...........................................74
Hình III.29: Ảnh FESEM và phổ tán sắc năng lượng EDS của màng CdS. .............75
Hình III.30: Ảnh AFM và phổ tán sắc năng lương EDS của màng In2S3. ................75
Hình III.31: Phổ truyền qua của các màng SnS2, CdS và In2S3 theo bước sóng λ. ..76
Hình III.32: Đồ thị (αhν)2 phụ thuộc vào hν của các màng SnS2,CdS và In2S3. .......77
Hình III.33: Ảnh SEM và phổ tán sắc năng lượng EDS của màng Sn2S3. ................78
Hình III.34: Ảnh mapping thể hiện sự phân bố các nguyên tố màng Sn2S3. ............79
Hình III.35: Phổ truyền qua của màng Sn2S3 theo bước sóng λ...............................79
Hình III.36: Đồ thị (αhν)2 phụ thuộc vào hν của màng Sn2S3...................................80

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011

Mặt trời bức xạ xuống bề mặt Trái đất một lượng năng lượng rất lớn cỡ 17,57.1016 J
hay tương đương năng lượng sinh ra khi đốt cháy 6 triệu tấn than đá. Mặc dù vậy,
chúng ta mới chỉ sử dụng được một phần rất nhỏ trong tổng số lượng năng lượng
khổng lồ nói trên. Thêm vào đó các chuyên gia về năng lượng tái tạo cho biết trong
vòng vài năm gần đây, chi phí sản xuất các tấm thu năng lượng Mặt trời đã giảm

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
7


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
khoảng 50-70 %. Jigar Shah, chủ một công ty kinh doanh năng lượng Mặt trời đồng
thời là giám đốc điều hành tổ chức Carbon War Room cho biết: "Với các tấm pin
quang năng, Trung Quốc đang làm điều mà họ đã làm tương tự với máy tính và điện
thoại iPhone - đó là giảm giá thành". Các thiết bị pin Mặt trời hiện nay được chế tạo
dựa trên các chất bán dẫn như Si, GaAs, CdTe, CIS (Copper Indium Diselenide) và
CIGS (Copper Indium Gallium Diselenide)… đã cho hiệu suất quá trình chuyển đổi
bức xạ Mặt trời thành điện năng cao nhưng do sự khan hiếm, giá thành cao (In, Ga)
hay độc hại (Cd, Se) mà vấn đề nghiên cứu tìm kiếm các vật liệu mới có hệ số hấp
thụ α > 104 cm-1, rẻ tiền, thân thiện với môi trường vẫn đang được tiếp tục triển
khai.
Hệ vật liệu thiếc sunphua (SnS, SnS2 và Sn2S3) được tạo nên từ các nguyên
tố Sn và S không độc hại, có trữ lượng dồi dào trong tự nhiên và các quá trình xử lý
chúng thân thiện với môi trường. Trong hệ vật liệu thiếc sunphua, SnS có hệ số hấp
thụ α > 104 cm-1và Eg = 1,3 eV thích hợp làm lớp hấp thụ trong pin Mặt trời, SnS2
có hệ số truyền qua cao và bề rộng vùng cấm rộng lên tới 3,0 eV rất thích hợp làm

luận về sự thay đổi của hệ số hấp thụ α và bề rộng năng lượng vùng cấm Eg khi
khảo sát sự pha tạp Cu vào màng SnS cũng được trình bày. Ngoài ra, các kết quả so
sánh tính chất quang giữa các màng SnS2, CdS và In2S3 được chế tạo bằng phương
pháp phun nhiệt phân nhằm tìm kiếm khả năng thay thế của SnS2 cho các màng
CdS độc hại hay In2S3 đắt đỏ trong các ứng dụng của pin Mặt trời cũng như các
thiết bị quang điện tử khác cũng được đưa ra trong chương này.
Kết luận
Tài liệu tham khảo

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
9


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Pin Mặt trời
Pin Mặt trời, một cách đơn giản có thể coi là một diode bán dẫn được thiết kế
và xây dựng để hấp thụ và chuyển đổi năng lượng ánh sáng Mặt trời thành điện
năng với hiệu suất lớn nhất. Cấu trúc của một pin Mặt trời thông thường có thể
được mô tả như trên hình I.1.

Hình I.1: Cấu tạo một pin Mặt trời đơn giản.
1.1.1 Nguyên tắc hoạt động của pin Mặt trời
Pin Mặt trời hoạt động dựa trên nguyên tắc của hiệu ứng quang điện trong.
Khi ánh sáng chiếu tới bề mặt pin một phần sẽ truyền qua lớp cửa sổ, là chất bán

các điện tử trong vùng hóa trị chuyển lên vùng dẫn. Kết quả của kích thích này là sự
hình thành nên các cặp điện tử - lỗ trống và do tác dụng của điện trường tiếp xúc Etx
(điện trường được hình thành sau quá trình khuyếch tán các hạt tải cơ bản của hai
lớp bán loại p và n tại bề mặt tiếp xúc của chúng) các cặp điện tử - lỗ trống bị tách
ra và gia tốc về phía đối diện tạo ra một suất điện động quang điện.
Suất điện động này sẽ tạo ra một dòng điện khi ta nối hai cực của pin bằng
một dây dẫn và khi đó dòng điện sẽ cho ở mạch ngoài một công suất hữu ích.
1.1.2 Hiệu suất của pin Mặt trời
Theo nguyên tắc hoạt động nêu trên, sau khi hấp thụ ánh sáng Mặt trời các
thiết bị pin Mặt trời sẽ chuyển hóa năng lượng Mặt trời (quang năng) thành điện
năng thông qua một hệ thống các quá trình từ việc điện tử hấp thụ năng lượng, bị
kích thích tạo cặp điện tử lỗ trống cho tới quá trình các hạt tải không cơ bản bị gia
tốc về hai phía tạo thành dòng điện. Bởi vậy hiệu suất của pin Mặt trời phải được
xác định dựa trên việc xem xét các quá trình Vật lý diễn ra bên trong các lớp vật
liệu bán dẫn sử dụng chế tạo pin Mặt trời.
Trong chất bán dẫn, các điện tử chuyển động tương tự như chuyển động của
một hạt bị giới hạn trong hộp ba chiều có cấu trúc bên trong phức tạp bởi các trường
điện tích xung quanh hạt nhân nguyên tử và các liên kết yếu của các điện tử. Đặc
tính động của điện tử được thiết lập từ hàm sóng Ψ, nhận được từ việc giải phương
trình Schodinger không phụ thuộc thời gian:
∇ 2ψ +

2m
r
⎡ E − U ( r ) ⎤⎦ψ = 0
2 ⎣
h

(1.2)


ượng và độộng lượng của
c điện tử)) của
chấất bán dẫn. Cấu trúc vùùng năng lư
ượng đơn giản
g của mộột chất bán dẫn
d được mô
m tả
như
ư trong hình
h I.2.

Hìình I.2: Cấuu trúc vùng năng lượngg tại T > 0K
K của bán dẫn
d vùng cấấm trực tiếpp (a)
vàà gián tiếp (b).
(
Theo hình
h
vẽ này các điện tử
ử sẽ chiếm các
c vị trí từ
ừ đáy lên tớ
ới đỉnh của vùng
v
hóaa trị và tại nhiệt
n
độ T > 0K các trạạng thái gần
n đỉnh vùngg hóa trị cóó thể bị trốnng do
mộột vài điện tử
t đã bị kícch thích nhiiệt chuyển lên

T
quá trình này, ccả năng lượ
ợng và độnng lượng củ
ủa tất cả cácc hạt
phảải được bảoo toàn. Và do động lư
ượng của photon
p
( pλ = h / λ ) là rất nhỏ soo với
độnng lượng tinh thể (p = h/l) nên qquá trình hấấp thụ photton phải bảảo toàn về động
đ
lượ
ợng của điệện tử. Hệ sốố hấp thụ đđối với mộtt photon năăng lượng h  tỷ lệ vớii xác
Họ
ọc viên: Đàoo Đức Tuânn

2
Khóaa : 2009 – 2011


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
suất P12 của chuyển dịch từ trạng thái đầu có năng lượng E1 tới trạng thái cuối có
năng lượng E2 của một điện tử, với mật độ của các điện tử trong trạng thái đầu và
mật độ của các trạng thái cho phép trong trạng thái cuối, và được diễn tả theo mối
liên hệ sau:
α ( hν ) ≈ ∑ P12 gV ( E1 )g C ( E 2 )

(1.3)



Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
hν − E g =

p2 ⎛ 1
1 ⎞
⎜⎜ * + * ⎟⎟
2 ⎝ mn m p ⎠

(1.6)

và hệ số hấp thụ đối với dịch chuyển trực tiếp là [32]

α ( hν ) ≈ A* ( hν − Eg )

1/2

(1.7)

Trong chất bán dẫn vùng cấm gián tiếp như Si và Ge, do vị trí đỉnh vùng hóa
r
trị và đáy vùng dẫn không có cùng một giá trị của vecto sóng k nên để đảm bảo sự
bảo toàn về động lượng của điện tử, quá trình hấp thụ photon cần có sự tham gia
của một hạt khác. Các hạt phonon, đặc trưng cho các dao động mạng, là các hạt có
năng lượng thấp nhưng lại có động lượng tương đối cao vì vậy chúng là các hạt
thích hợp có thể tham gia để đảm bảo sự bảo toàn trong quá trình hấp thụ photon.
Quá trình hấp thụ ánh sáng khi đó có thể xảy ra cùng với sự hấp thụ hoặc phát xạ
phonon, điều này được mô tả như trong hình I.4.


A ( hν − Eg − E ph )
1− e

2

− E ph / kT

(1.9)

Trong trường hợp xảy ra cả hai quá trình hấp thụ và phát xạ phonon, hệ số
hấp thụ được viết tổng quát là:
α ( hν ) = α a ( hν ) + α e ( hν )

(1.10
Vì vậy đối với chất bán dẫn vùng cấm gián tiếp hệ số hấp thụ không chỉ phụ
thuộc vào mật độ các điện tử điền đầy trạng thái đầu và mật độ các điện tử trống
trong trạng thái cuối mà còn phụ thuộc vào sự có mặt của các phonon với động
lượng thích hợp. Chính vì vậy, hệ số hấp thụ của các chuyển tiếp gián tiếp là tương
đối nhỏ so với chuyển tiếp trực tiếp.
Quá trình hấp thụ ánh sáng sẽ tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống trong chất
bán dẫn với tốc độ là một hàm của vị trí bên trong pin Mặt trời.
G ( x ) = (1 − s ) ∫ (1 − r ( λ ) ) f ( λ ) α ( λ ) e−α x dλ
λ

(1.11

ở đây s là hệ số che phủ của lưới điện cực, r(λ) là sự phản xạ, α(λ) là hệ số
hấp thụ, f(λ) là thông lượng photon tới (số photon tới trên một đơn vị diện tích bề
mặt trên một giây tại từng bước sóng) và giả sử là ánh sáng chiếu tới tại x = 0.

RSLT =

(

τ SLT,n p + ni e( E − E
i

T

pn − ni2

) / kT

)

(

+ τ SLT, p n + ni e(

ET − Ei ) / kT

)

(1.12

ở đây thời gian sống của các hạt tải được xác định theo công thức
τ SLT =

1
συth N T

tái hợp.
Nếu các điều kiện phun cao chiếm ưu thế (p ≈ n
RSLT ≈

 p0, n0) ta có

n
p
≈
τ SLT, p + τ SLT, n τ SLT, p + τ SLT, n

(1.15

Trong trường hợp này, thời gian sống tái hợp hiệu dụng là tổng của thời gian
sống của cả hai hạt tải và do đó nó có thời gian sống dài hơn so với trong trường
hợp mức phun thấp chiếm ưu thế. Tuy vậy với một số lượng lớn các lỗ trống và các
điện tử tồn tại trong điều kiện mức phun cao chiếm ưu thế, sự tái hợp vẫn sẽ xảy ra
với tốc độ cao. Điều này có thể coi là đáng kể trong vùng cơ sở của các pin Mặt
trời, đặc biệt đối với các pin Mặt trời hội tụ, vì vùng cơ sở là lớp được pha tạp ít
nhất.
Tái hợp vùng – vùng (tái hợp phát xạ) có thể hiểu đơn giản là quá trình
ngược lại của phát xạ quang và sự tái hợp này xảy ra nhiều hơn trong chất bán dẫn
vùng cấm trực tiếp. Tốc độ tái hợp được xác định bởi công thức
Rλ = B ( pn − ni2 )

Nếu chất bán dẫn là loại n (n

(1.16

 p0) ở mức phun thấp (p0   p    n0) thì

Khóa : 2009 – 2011
17


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
Trong chất bán dẫn loại n ở mức phun thấp (giả sử Λ n và Λ p là các độ lớn có
thể so sánh được), tốc độ tái hợp Auger có thể viết lại thành
RAuger ≈

p − p0

(1.20

τ Auger, p

với thời gian sống hiệu dụng:
τ Auger, p =

1
Λ n n02

(1.21

Mỗi quá trình tái hợp có thể xảy ra song song với nhau và với số lượng lớn
trong vùng cấm, do đó tốc độ tái kết hợp tổng cộng phải là tổng các tốc độ tái hợp
của mỗi quá trình:
⎡
⎤

Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
Tốc độ tái hợp qua các khuyết tật bề mặt này được xác định theo công thức
như trong [34] RS = Sp (p – p0) trong vật liệu loại n và RS = Sn (n- n0) trong vật liệu
loại p. Sp và Sn là các vận tốc tái hợp bề mặt hiệu dụng.
Sự tái hợp là quá trình tự nhiên, diễn ra sau quá trình phát sinh cặp điện tử lỗ trống nhờ hấp thụ ánh sáng. Quá trình này làm giảm số lượng hạt tải (điện tử và
lỗ trống) được tạo ra và do đó làm giảm cường độ dòng quang điện (dòng khuếch
tán của các hạt tải không cơ bản). Trong trường hợp hoạt động ổn định của pin Mặt
trời, sự khuếch tán của các hạt tải không cơ bản có thể được biểu diễn thông qua
phương trình khuếch tán của các hạt tải không cơ bản như được viết dưới đây:
qμ p

r
d
d2 p
pE − qD p 2 = q ( G − R )
dx
dx

(1.24

qμn

r
d
d2n
nE + qDn 2 = q ( R − G )
dx
dx


τn

trong vùng loại p và
R=

p N − pN 0

τp

(1.27

τp

trong vùng n.
ΔpN và ΔnP là sự biến thiên của các nồng độ hạt tải không cơ bản, thời gian
sống các hạt tải không cơ bản, τn và τp được đưa ra trong (1.23). Trong các phương
trình trên, các ký tự “P” và “N” được sử dụng để chỉ các đại lượng tương ứng trong
các vùng loại p và loại n, còn các ký tự “p” và “n” là chỉ các đại lượng liên quan với
các lỗ trống và các điện tử.
Các phương trình (1.24) và (1.25) có thể được viết rút gọn lại thành
Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
19


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường

Δ n P ( x ) = AP sinh ⎡⎣ ( x − x P ) / Ln ⎤⎦ + B P cosh ⎡⎣ ( x − x P ) / Ln ⎤⎦ + Δ n ′P ( x )

(1.31

trong vật liệu loại p.
Mật độ dòng các hạt tải không cơ bản trong các vùng gần như trung hòa
được coi là dòng khuếch tán và được biểu diễn qua công thức
r
dΔp N
J p , N ( x ) = − qD p
dx

(1.32

và
r
d Δ nP
J n , P ( x ) = − qDn
dx

(1.33

Khi đó dòng tổng cộng sẽ là
I = A ⎡⎣ J p ( x ) + J n ( x ) ⎤⎦

(1.34

ở đây A là diện tích của pin Mặt trời
Dòng các hạt tải không cơ bản này cũng chính là dòng điện được tạo ra sau
khi pin Mặt trời hấp thụ ánh sáng. Với mỗi thiết bị pin Mặt trời khác nhau thì cường

hc
Φ 0 ( λ ) dλ
λ

(1.335

Dưới táác dụng củaa ánh sáng chiếu tới, pin
p Mặt trờii sản sinh raa một công suất
Pouut được xác định bằng tích của điệện thế và dòng điện. G
Giá trị này đạt
đ lớn nhấất khi
mậật độ dòng điện
đ
và điệện áp có giáá trị tương ứng là Imp và Vmp đượ
ợc thể hiện trên
đườ
ờng đặc trư
ưng mật độ dòng
d
điện và
v điện áp như
n hìnhI.7.

Hìnnh I.7: Đặc trưng I-V của
c pin Mặtt trời.
Khi đó
ó ta có thể xác định đđược hiệu suất của qquá trình ch
huyển đổi năng
n
lượ

=
= ⎢I +V
=0
∂V V =V
∂V V =Vmp
∂V ⎥⎦ V =V
⎣
mp

(1.337

mp

đ rồi từ đó
đ xác địnhh Imp. Công việc
Để tìm giá trị Vmpp tại đó côngg suất cực đại,
này
y không đơn
n giản vì thhế hiệu suấtt của pin Mặt trời thườ
ờng được xáác định dựaa trên
đườ
ờng đặc trư
ưng I-V thôn
ng qua các ggiá trị Voc và
v Isc.
Họ
ọc viên: Đàoo Đức Tuânn

2
Khóaa : 2009 – 2011

™ Có hệ số hấp thụ các photon lớn nhất (E > Eg)
Rõ ràng rằng, trái với sự phức tạp của các biểu thức mô tả sự hoạt động của
pin Mặt trời thì nguyên tắc cơ bản của nó lại rất dễ hiểu. Đó đơn giản chỉ là sự hình
thành các cặp điện tử - lỗ trống bên trong pin Mặt trời sau khi pin Mặt trời hấp thụ
các photon ánh sáng chiếu tới và tập hợp nó lại trước khi nó bị tái kết hợp.
Với nguyên tắc đơn giản và hai yên cầu trên, pin Mặt trời đã trải qua nhiều
năm phát triển với nhiều thế hệ pin Mặt trời có hiệu suất chuyển đổi năng lượng
cao.
1.1.3 Sự phát triển của pin Mặt trời
Các pin Mặt trời Si lần đầu tiên được chế tạo thành công khi phòng thí
nghiệm Bell báo cáo tính nhạy của Si với áng sáng Mặt trời. Những thập niên sau
đó, pin Mặt trời tiếp tục phát triển và được đưa vào sử dụng trong không gian trên
vệ tinh thông tin liên lạc đầu tiên. Hiện nay theo phương thức, vật liệu chế tạo mà
pin Mặt trời được chia thành nhiều thế hệ khác nhau. Thế hệ pin Mặt trời đầu tiên
được sử dụng là các thế hệ pin Mặt trời dựa trên tinh thể Si. Đây là thế hệ được sử
dụng nhiều nhất trong các lĩnh vực thương mại, chiếm 89.6 % sản phẩm pin Mặt
trời năm 2007. Đặc điểm của thế hệ pin Mặt trời loại này là có kích thước lớn với

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
22


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
một lớp Si dùng để hấp thụ có bề dày cỡ hàng chục micromet. Ngoài ra do Si có bề
rộng vùng cấm nhỏ Eg = 1.1 eV, giá trị này đảm bảo cho pin Mặt trời có khả năng
hấp thụ nhiều ánh sáng và tạo ra số lượng cặp điện tử - lỗ trống lớn. Tuy nhiên, điều

được chế tạo từ vật liệu Si vô định hình nên các pin Mặt trời thế hệ này không ổn
định và có hiệu suất thấp hơn so với thế hệ đầu tiên.
Thế hệ pin Mặt trời thứ 3 được dựa trên các hợp chất bán dẫn nhóm II-VI,
III-V. Điểm khác biệt của thế hệ này so với thế hệ thứ nhất và thứ hai là thông qua
các phương pháp chế tạo cùng sự phong phú của các nguyên tố hoá học có thể tạo
ra các lớp vật liệu có bề rộng vùng cấm thích hợp nhất cho việc hấp thụ năng lượng
Mặt trời và chuyển hoá thành năng lượng điện. Trong số đó phải kể tới các hợp chất
như CdTe, CuInSe2, Cu(In,Ga)Se (viết tắt là CIS, CIGS). Đây là các vật liệu đã
được nghiên cứu chế tạo và được ứng dụng cho kết quả tốt trong các hệ thống pin
Mặt trời với hiệu suất cao.
™ CdTe (Cadmium Telluride): Cadmium Telluride là một hợp chất ổn định
trong giản đồ pha Cd-Te nên nó có thể được chế tạo theo nhiều phương
pháp khác nhau. Hợp chất này được tổng hợp lần đầu tiên năm 1947 bởi
Frerichs [16] từ phản ứng giữa các hơi Cd và Te trong khí hidro. Khi
được pha tạp bởi các nguyên tố khác nhau CdTe sẽ thể hiện tính chất như
một chất bán dẫn loại n hoặc p. Vật liệu bán dẫn CdTe có bề rộng năng

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
24