Khóa luận 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

LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, chúng con xin chân thành cảm ơn thầy Trần Quang Trung, người đã vô cùng tận tụy chỉ bảo chúng con trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại bộ môn Vật Lý Chất Rắn. Thầy đã luôn bên cạnh chúng con đưa ra những lời khuyên vô cùng quý báu. Kiến thức và kinh nghiệm mà thầy truyền đạt là những “tài sản” vô cùng quý giá giúp chúng con tự tin bước vào đời. Ngoài ra, niềm say mê hết lòng vì khoa học luôn là tấm gương sáng cho chúng con noi theo và bước đi trên con đường khoa học chông gai. Chúng con chân thành cảm ơn chú Đặng Thành Công, chú là người thầy luôn bên cạnh giúp chúng con vượt qua những giai đoạn khó khăn nhất trong quá trình làm khóa luận. Chúng em xin cảm ơn chị Huỳnh Xuân Nguyễn, người chị luôn bên cạnh và cho chúng em những lời khuyên quý giá, chỉnh sửa những lỗi nhỏ nhất để chúng em hoàn thành khóa luận tốt nhất có thể. Chúng con rất cảm ơn các quý thầy cô tại bộ môn Vật Lý Chất Rắn đã hết lòng dạy dỗ những kiến thức quan trọng để sau này chúng con vững bước trên đường đời. Cảm ơn các anh chị tại bộ môn Vật Lý Chất Rắn đã hỗ trợ về cơ sơ vật chất lẫn tinh thần, hướng dẫn chúng em các bước cơ bản để làm quen với phòng thí nghiệm và truyền đạt những kinh nghiệm khi chúng em bước đầu bỡ ngỡ. Con cảm ơn cha và mẹ, gia đình là điểm tựa tinh thần mỗi lúc khó khăn, chia sẽ những vui buồn trong cuộc sống. Gia đình là nơi bình yên khi tôi trở về. Cảm ơn các bạn đã chia sẽ những vui buồn và góp ý cho chúng tôi làm tốt hơn khóa luận của mình. Chân thành cảm ơn ! MỤC LỤC 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/mc- Si:H. Hình I.1.4.3: Cấu trúc của nc/μc-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. PHẦN I :GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI I.1.Tìm hiểu về Pin Mặt Trời – các loại Pin Mặt Trời cơ bản Các nguồn năng lượng trong tự nhiên ngày càng cạn kiệt. Cái thời của than, dầu mỏ, khí đốt đang dần trôi qua (mặc dù có hơi chậm chạp). Đồng thời, việc sử dụng các nguồn năng lượng này đã gây ra những tổn hại to lớn cho môi trường sống trên Trái Đất. Vì vậy, việc tìm kiếm một nguồn năng lượng sạch đã trở thành nghiên cứu mũi nhọn ở nhiều quốc gia, đặc biệt ở các nước phát triển. Nhiều nhà khoa học cho rằng năng lượng Mặt Trời là nguồn năng lượng vô tận quý giá mà chúng ta cần chế ngự để phục vụ cho con người cả về nhiệt năng lẫn điện năng. Hình I.1: Sân vận động ở Đài Loan sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện Về mặt điện năng, ở nước ta hiện nay, thủy điện đã gần như không đủ sức phục vụ cho hơn 86 triệu người dân Việt Nam. Giải pháp ở đây là gì? Giải pháp ở đây không phải là tình trạng cắt điện thường xuyên mà chúng ta cần nghĩ tới một nguồn năng lượng bổ sung. Trên thế giới, đã có rất nhiều nước sử dụng các nguồn năng lượng điện khác như: năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời, năng lượng gió… Trong đó, năng lượng mặt trời được xem là một giải pháp cho nguồn năng lượng sạch và vô tận. Hình I.1 mô tả một dạng sân vận động kiểu mới ở Cao Hùng (Đài Loan), có khoảng 8.844 tấm pin mặt trời sẽ sản xuất 1,14 triệu kWh điện mỗi năm (đủ để thắp sáng 3.300 bóng đèn và hai màn hình tivi khổng lồ trong sân vận động). Lượng điện thừa sẽ được bán cho người dân trong những ngày nóng nực của mùa hè. Nếu sử dụng than đá để sản xuất điện, sân vận động này sẽ thải vào không khí 660 tấn khí CO2 mỗi năm. Do vậy, việc chế tạo Pin Mặt Trời nhằm tạo ra một nguồn năng lượng sạch và tiết kiệm chi phí sản xuất điện là nhu cầu vô cùng cần thiết của con người. I.1.1. Tìm hiểu chung về Pin Mặt Trời Pin Mặt Trời là một thiết bị có thể chuyển đổi từ năng lượng quang sang năng lượng điện gồm hai bước chính: hấp thụ quang và tách hạt tải tạo dòng quang điện. Pin Mặt Trời có một lịch sử khá lâu đời, năm 1839 nhà vật lý người Pháp Antoine-César Becquerel đã đánh dấu cho sự phát triển của công nghệ Pin Mặt Trời. Khi ông quan sát hiệu ứng quang điện (photovoltaic effect) thí nghiệm với một điện cực rắn trong dung dịch điện phân, ông nhận ra rằng, điện thế tăng lên khi ánh sáng chiếu vào điện cực. Đến năm 1883, Charles Fritts đã chế tạo Pin Mặt Trời đầu tiên bằng cách mạ vàng lên selenium (chất bán dẫn). Năm 1941 Russell Ohl chế tạo Pin Mặt Trời Silic đầu tiên với hiệu suất 1%. Năm 1954, ba nhà nghiên cứu người Mỹ Gerald Pearson, Calvin Fuller và Daryl Chapin, đã thiết kế thành công Pin Mặt Trời Silic với hiệu suất đạt 6%. Đây là Pin Mặt Trời dạng bảng đầu tiên. Phòng thí nghiệm Bell đã công bố chế tạo đầu tiên Pin Năng Lượng Mặt Trời Mới và đầu tư vào các dịch vụ công cộng của Bell Solar Battery bắt đầu với hệ thống nhà cung cấp điện thoại vào ngày 4 tháng 10 năm 1955 [4]. Từ đó, Pin Mặt Trời được tập trung nghiên cứu và phát triển rộng khắp, đặc biệt là ở các nước Mỹ, Nhật, Úc. Năm 1985 trường đại học Unversity of New South Wales chế tạo Pin Mặt Trời hiệu suất đạt 20% và đến năm 1999 đạt hiệu suất 24,7%. Hình I.1.1a: Mô hình Pin Mặt Trời đầu tiên Cho đến nay, có rất nhiều dạng Pin Mặt Trời được chế tạo thành công bao gồm: Pin Mặt Trời hữu cơ, Pin Mặt Trời vô cơ, Pin Mặt Trời cảm ứng chất màu (Bảng I.1.1b). Bảng I.1.1b: Các loại Pin Mặt Trời hiện nay I.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một Pin Mặt Trời cơ bản Pin mặt trời Silic tiếp xúc p–n (có cấu tạo tương tự như một điốt) là cấu trúc Pin Mặt Trời cơ bản nhất. Hình I.1.2 là sơ đồ cấu tạo Pin Mặt Trời bán dẫn Silic đơn tinh thể hệ tiếp xúc p–n. Trong đó bán dẫn Silic loại n được chế tạo bằng cách khuếch tán vào đơn tinh thể Silic những nguyên tố hóa trị V như Photpho, Antinium, Arsenic… Bán dẫn Silic loại p được chế tạo bằng cách khuếch tán vào đơn tinh thể Silic những nguyên tố hóa trị III như: Bo, Al…Trong phần sau, chúng tôi sẽ trình bày rõ hơn về bán dẫn loại p, loại n cũng như quá trình chế tạo bán dẫn Silic loại p và loại n. Hình I.1.2: Mô hình cấu tạo Pin Mặt Trời tiếp xúc p-n cơ bản Nguyên lý hoạt động cơ bản của Pin Mặt Trời chính là quá trình chuyển hóa quang năng thành điện năng. Khi ánh sáng mặt trời bức xạ vào Pin, bán dẫn loại p và loại n chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích gọi là quá trình hấp thụ photon. Khi đó các electron và lỗ trống sinh ra tách về hai vùng của chuyển tiếp p-n và được chuyển ra tải ngoài gọi là quá trình tách hạt tải tạo dòng quang điện. Hai quá trình này sẽ được trình bày kỹ hơn trong phần sau. I.1.3. Một số loại Pin Mặt Trời Silic tiếp xúc p-n Nhằm mục đích giảm giá thành, tăng hiệu suất chuyển hóa của Pin nên ngoài việc chế tạo nguyên liệu nền tốt, người ta còn sử dụng các công nghệ mới cho ra đời nhiều loại Pin có cấu tạo khác nhau. Dưới đây là một vài loại Pin tiêu biểu: Pin Tím (The Violet-Cell) Một dạng Pin theo hình thức mối nối p-n với đế nền Silic do Lindmayer và Allison đưa ra năm 1973. Đặc tính của Pin: VOC= 0,59 V, ISC= 40mA/cm2, hệ số lấp đầy FF = 0,78, hiệu suất η= 13,5% đối với phổ AM0 (1353W/m2) [9]. Hình I.1.3a: Mô hình Pin tím (Violet Cell) Pin PERL (Passivated Emitter Rear Locally Diffused) Đến năm 1980 với sự phát triển của vi điện tử, công nghệ màng mỏng đã nâng hiệu suất chuyển hóa lên cao. Năm 1991, Pin PERL ra đời và đạt được hiệu suất cao: VOC= 710mV, ISC= 41mA/cm2, hệ số lấp đầy FF= 0,83, hiệu suất chuyển đổi η=24% [9]. Hình I.1.3b: sơ đồ cấu tạo pin PERL Pin Mặt Trời vô định hình Silic (a-Si): Một dạng cấu trúc Pin Mặt Trời vô định hình đơn lớp a-Si:H được mô tả trong hình I.1.3c. Loại Pin này có ba lớp có ý nghĩa quan trọng là: lớp vô định hình loại P (a-P), lớp bán dẫn thuần vô định hình (a-Si:H) và lớp vô định hình loại N (a-N) hình thành dạng tiếp xúc p-i-n. Lớp pha tạp thường rất mỏng: lớp loại p dày khoảng 10nm, lớp loại n khoảng 20nm [7]. Hình 1.1.3c: Cấu trúc Pin Mặt Trời vô định hình Silic (a-Si:H) dạng tiếp xúc đơn p-i-n Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu về Pin Mặt Trời Silic với cấu trúc p-n cơ bản và cấu trúc Pin p-i-n ứng dụng chế tạo Pin màng mỏng. Cụ thể hơn là nghiên cứu quá trình pha tạp đậm loại p và loại n lên đế Silic. Trước khi đi sâu vào những phần chính (quá trình pha tạp Si, nguyên lý hoạt động cũng như những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của Pin Mặt Trời), chúng tôi sẽ giới thiệu về các loại Silic để tiện cho việc nghiên cứu sau này. I.1.4. Sơ lược về các loại Silic Silic là nguyên tố nhiều thứ hai sau Oxy trên trái đất. Đây là cũng là một nguồn tài nguyên phong phú, chiếm gần 30 % của vỏ địa cầu dưới dạng Silica (SiO2), và là một hợp chất chính trong cát. Chúng ta có thể tổng hợp Si từ SiO2 và nhiều nguồn khác bằng các phương pháp khác nhau. Silic được sử dụng trong Pin Mặt Trời là các đế Silic đơn tinh thể và màng Si:H nano/micro tinh thể hoặc vô định hình. Silic vô định hình và Silic nano/micro tinh thể có thể được tạo ra dễ dàng hơn so với Silic đơn tinh thể bằng phương pháp như PECVD, HWCVD… Đây cũng là nguyên nhân làm giảm giá thành sản phẩm khi ứng dụng a-Si:H và mc Si:H làm Pin Mặt Trời. I.1.4.1.Silic đơn tinh thể (c-Si, crystal Silicon) Tinh thể Silic có cấu trúc mạng kim cương (lập phương tâm mặt), tinh thể có màu sáng sẫm ánh kim. Mặc dù là một nguyên tố tương đối trơ, Silic vẫn có phản ứng với các halogen và các chất kiềm loãng và không tác dụng với hầu hết axit (trừ tổ hợp axit nitric và axit flodidric). Tinh thể Silic nguyên chất hiếm tìm thấy trong tự nhiên, thông thường nó nằm trong dạng Silic dioxit (SiO2). Hình I.1.4.1a: Cấu trúc mạng tinh thể Silic Một số thông số quan trọng của Silic đơn tinh thể: có 4 electron ở ngoài cùng, điểm nóng chảy: 1687 K, độ rộng vùng cấm: 1,1 eV và ái lực điện tử = 4,05 eV ở nhiệt độ phòng. Hình I.1.4.1b: Liên kết cộng hóa trị trong nguyêntử Silic Hình I.1.4.1c: Cấu trúc vùng năng lượng Silic được sản xuất công nghiệp bằng cách nung nóng Silica siêu sạch trong lò luyện bằng hồ quang với các điện cực cacbon. Ở nhiệt độ trên 1900 °C, cacbon khử Silica thành Silic theo phản ứng: SiO2 + C → Si + CO2 Silic lỏng được thu hồi ở đáy lò, sau đó nó được tháo ra và làm nguội. Silic sản xuất theo công nghệ này gọi là Silic loại luyện kim và nó đạt trên 99% tinh khiết [3]. Phương pháp Czochralski thông thường được sử dụng để sản xuất các tinh thể silic đơn có độ tinh khiết cao để sử dụng trong các thiết bị bán dẫn bằng silic ở trạng thái rắn. I.1.4.2.Silic vô định hình ( a-Si, amophous Silicon) Silic vô định hình là một dạng không có cấu trúc tinh thể của Silic. Ta biết trong tinh thể Silic thì cứ mỗi nguyên tử Si sẽ liên kết với 4 nguyên tử xung quanh để tạo thành một cấu trúc mạng tuần hoàn. Trong Silic vô định hình cũng tương tự như vậy, tuy nhiên do thiếu trật tự xa (do góc liên kết bị lệch so với góc 109,50 của tứ diện) nên Silic vô định hình không là mạng tuần hoàn mà nó chỉ là “mạng ngẫu nhiên liên tục” CRN (Continuous Random Network) (hình I.1.4.2a). Hình I.1.4.2a: các dạng biểu diển cho cấu trúc Silic vô định hình CRN có thể chứa các khuyết tật, trong đó có một loại gọi là khuyết tật “phối trí”. Khuyết tật này tạo thành là do nguyên tử có quá ít hoặc nhiều liên kết. Trong a-Si thường thì các nguyên tử Si không có đủ liên kết để tạo thành lớp ngoài cùng là sp3 và đây có thể xem là sai hỏng chủ yếu trong Silic vô định hình có ba số phối trí. Các sai hỏng này tạo nên các liên kết bất bão hòa (dangling bonds). a-Si thường có mật độ các liên kết bất bão hòa cao (cứ 500 nguyên tử sẽ cho một liên kết bất bão hòa) (hình I.1.4.2b) [3]. Hình I.1.4.2b: a) Một( nút khuyết trong mạng Silic và (b) Liên kết bất bão hòa (dangling bond). Mật độ sai hỏng cao trong vật liệu vô định hình làm cản trở hiện tượng quang dẫn và sự pha tạp. Tuy nhiên Hydro nguyên tử có thể thụ động hóa các sai hỏng bằng cách kết hợp với các liên kết bất bão hòa này và làm cho mật độ liên kết bất bão hòa giảm đáng kể (Hydro khoảng 10at. % sẽ làm giảm mật độ liên kết bất bão hòa xuống 4-5 lần), điều này xảy ra tương tự với nc/mc tinh thể. Trong Pin Mặt Trời có sử dụng vật liệu Si:H, một lớp Si:H thuần với mật độ khuyết tật thấp thường được xen giữa lớp p và n nhằm làm giảm mật độ sai hỏng tại lớp tiếp giáp. Do có cấu trúc trật tự gần, nên trong cấu trúc vùng năng lượng của a-Silic vẫn có các vùng năng lượng: vùng dẫn, vùng hóa trị và vùng cấm. Tuy nhiên, do thiếu trật tự xa nên dẫn đến sự mở rộng của hàm mật độ trạng thái. Kết quả là “đuôi vùng” của các trạng thái năng lượng định xứ mở rộng vào trong vùng cấm. Hình I.1.4.2c(a) cho thấy sự hình thành đuôi vùng trong a-Si và nc/mc- Si, các liên kết bất bão hòa tạo thành các trạng thái sai hỏng sâu trong vùng cấm [3]. 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/mc- Si:H. Tính chất quang học của a-Si có vai trò rất quan trọng trong chế tạo Pin Mặt Trời. Do không có cấu trúc trật tự xa nên vectơ sóng coi như được bảo toàn trong chuyển mức điện tử. Vì vậy, a-Si thuộc loại bán dẫn chuyển mức trực tiếp. Hệ số hấp thụ của a-Si trong vùng ánh sáng khả kiến lớn hơn rất nhiều so với Si đơn tinh thể. Vấn đề này sẽ được mô tả rõ nét trong phần I.2.2.1. I.1.4.3.Silic nano/ micro tinh thể (nc/ mc-Si): Silic nano/ micro tinh thể là một dạng có trật tự gần tương tự như a-Si. Tuy nhiên pha nc/mc-Si có dạng những hạt tinh thể Silic rất nhỏ, các tinh thể nhỏ này kết tụ thành dạng những cột có kích thước khoảng 50nm – 200nm (Hình I.1.4.3) .Giữa những cột nhỏ này là pha vô định hình, khoảng trống và biên hạt. Silic nano tinh thể còn được gọi là Silic micro tinh thể (mc-Si), điều này tùy thuộc vào kích thước của hạt (2-5nm,10 à 80% t