TỔNG QUAN VỀ MÀNG ĐIỆN GVHD: PGS.TS Lê Văn Hiếu HVTH: Nguyễn Thanh Lâm Nhóm II: Màng điện Nội dung: Tổng quan I.TỔNG QUAN: Nói chung, chế dẫn điện vật liệu khối v màng mỏng có số nét giống Bởi vậy, phương trình mô tả chế vật liệu khối áp dụng cho màng mỏng Chẳng hạn như: Tuy nhiên, màng mỏng vật liệu khối có điểm khác biệt làm cho màng mỏng có tính chất điện mà vật liệu khối hay màng dày Những điểm khác biệt là:  Phương pháp chuẩn bị màng: Màng mỏng chế tạo cách phủ nguyên tử phân tử lên đế Trong việc chế tạo m àng dày có liên qan đến việc phủ hạt, bao gồm cỡ 10 nguyên tử phân tử Vì vậy, tính chất điện màng chịu ảnh hưởng mạnh yếu tố như: cách thức màng lắng tụ hình thành, điều kiện sử dụng, mức độ hoàn hảo tinh thể, mật độ sai hỏng điện tử cấu trúc, mật độ biến dạng, h ình thái hạt, thành phần hóa học tỉ lệ hợp phần, mật độ bẫy electron v.v…  Các hiệu ứng điện cực: Thông thường đế sau màng dẫn điện lắng tụ trến đế trở thành điện cực kẹp Ví dụ: màng mỏng (Ba0.6Sr0.4)(Zr0.3Ti0.7)O3 hình thành đế Si phủ Pt TỔNG QUAN VỀ MÀNG ĐIỆN IrO2 Pt đóng vai trò điện cực Các màng cách điện tính chất  Mức độ liên tục màng: chế dẫn điện màng có cấu trúc ốc đảo khác với chế dẫn điện màng liên tục  Sự tồn tượng dẫn điện điện trường cao: Trong công nghệ mạch tích hợp (IC), màng mỏng có chiều dày cực nhỏ Bởi vậy, cần điện áp vừa phải đặt v màng mỏng làm nảy sinh điện trường cao màng mỏng  Hoạt tính hóa học cao: màng mỏng dễ bị xâm hại tính chất điện thay đổi ăn mòn, hấp thụ nước, oxi hóa không khí phản ứng trạng thái rắn nhiệt độ thấp II.PHÂN LOẠI MÀNG ĐIỆN: Nếu phân loại theo chức th ì màng điện chia làm loại, loại lại bao gồm nhiều loại hợp phức m àng khác Tuy nhiên đề cập đến loại m àng điện có nhiều ứng dụng  Màng dẫn điện (Màng polime hữu OLED)  Màng cách điện (Điện trở màng mỏng công nghệ mạch tích hợp)  Màng bán dẫn (Transistor màng mỏng)  Màng áp điện 1.Màng dẫn điện polime hữu OLED: Như biết, chế phát sáng LED xạ tự phát , electron lổ trống tái hợp vùng hoạt tính phát xạ Tần số xạ phát n ày phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm vùng hoạt tính Do cách thiết kế, loại LED có vùng hoạt tính nên chúng phát màu TỔNG QUAN VỀ MÀNG ĐIỆN Tuy nhiên, công nghệ chiếu sáng dân dụng, ng ười ta lại cần LED phát sáng trắng so với đèn huỳnh quang đèn dây tóc, LED có ưu điểm hiệu suất chuyển hóa điện thành quang cao mát lượng nhiệt đốt nóng dây tóc, không mát lượng nhiệt để làm nóng Ka tốt dễ dàng thay đổi thiết kế để phù hợp ứng dụng cụ thể Mặc dù ghép ba loại LED màu đỏ, xanh xanh da trời lại với để nhận đ ược ánh sáng trắng thiết kế tỏ tốn ánh sáng trắng nhận không hoàn hảo (không giống ánh sáng trắng tự nhiên) Vì vậy, người ta nghĩ đến việc thiết k ê loại LED có khả phát ánh sáng trắng ho àn hảo Diode phát quang hữu (OLED) đáp ứng yêu cầu OLED bao gồm nhiều lớp m àng mỏng chất hữu ghép với Thiết kế n ày tạo nhiều vùng hoạt tính với độ rộng vùng cấm khác làm cho OLED phát nhiều xạ với màu sắc khác Các xạ n ày kết hợp với tạo thành ánh sáng trắng hoàn hảo Nhưng OLEd có số nhược điểm như: TỔNG QUAN VỀ MÀNG ĐIỆN  Thời gian sống - film OLED xanh đỏ có thời gian sống lâu (khoảng 10 000 đến 40 000 giờ), th ì film xanh da trời có thời gian sống h ơn nhiều (chỉ khoảng 1000 giờ)  Chế tạo - Hiện công đoạn chế tạo c òn đắt  Nước - nước dễ dàng làm hỏng OLED Nếu khắc phục nhược điểm trên, nhà khoa học dự đoán, tương lai, OLED thay bóng đèn huỳnh quang Nguyên lí hoạt động: Nguồn điện cung cấp dòng điện cho OLED Một dòng electron chạy từ cathode qua lớp phát quang hữu tới anode Cathode truyền electron cho lớp phát quang hữu qua lớp truyền điện tử Anode lấy electron từ lớp truyền lổ trống (điều giống với việc truyền lỗ t rống mang điện dương cho lớp phát quang hữu cơ) Tại biên lớp phát quang lớp dẫn, electron gặp lỗ trống Khi electron gặp lỗ trống, tái hợp với lỗ trống n ày (hay rơi vào mức lượng nguyên tử lỗ trống bị electron) Khi tái hợp xảy ra, electron tái hợp tạo lượng dạng photon ánh sáng OLED phát ánh sáng Điện trở màng mỏng: Có thể nói, công nghệ mạch tích hợp (IC) l tổng hợp hai lĩnh vực: Công nghệ màng mỏng công nghệ vi khắc Chức linh kiện điện tử mạch t ương tự công nghệ analog, kích thướt linh kiện phải đ ược thu nhỏ để tích hợp v cổng logic Trong mạch tích hợp, điện trở màng mỏng có chức hạn dòng TỔNG QUAN VỀ MÀNG ĐIỆN tạo hồi tiếp âm cho mạch Bên hình ảnh số loại điện trở màng mỏng 3.Transistor màng mỏng: Hoạt động transistor th ường sau: Xét transistor gồm lớp n -p-n, lớp p có kích thướt nhỏ bị kẹp hai lớp n b cực base, e emitter (cực phát), c collecter (cực góp)  Khi nguồn chiều V be mở (b-e phân cực thuận), Vce tắt (c-e chưa phân cực): transistor chưa hoạt động  Khi nguồn chiều V be mở (b-e phân cực thuận), Vce mở (c-e phân cực ngược): transistor bắt đầu hoạt động, dòng TỔNG QUAN VỀ MÀNG ĐIỆN electron từ lớp p vượt qua vùng nghèo ạt đổ collecter bị điện áp dương collecter hút Hoạt động transistor màng mỏng tương tự hoạt động transistor thường chế tạo công nghệ màng mỏng nên độ linh động hạt tải điện lớn h ơn hàng trăm lần so với transistor thường Bên hình vẽ transistor màng mỏng 4.Màng mỏng áp điện:  Hiệu ứng áp điện thuận: Khi l àm biến dạng học tinh thể làm phát sinh dòng điện tinh thể  Hiệu ứng áp điện nghịch: Khi đặt điện áp qua tinh thể th ì số loại tinh thể bị biến dạng học Người ta chế tạo số loại màng mỏng có tính chất áp điện Phương pháp chế tạo loại màng điện GVHD: PGS.TS Lê Văn Hiếu HVTH: Hoàng Văn Anh Nhóm II: Màng điện Phương pháp chế tạo loại màng điện I)Giới thiệu: Màng oxyt suốt dẫn điện (TCO) có nhiều ứng dụng lĩnh vực quang -điện tử điện trở suất thấp độ truyền qua cao Chúng đ ược ứng dụng chế tạo gương nóng, hình hiển thị phẳng diện tích lớn (LCD, OLED), pin mặt trời, cửa sổ thông minh (m àng điện sắc), … Màng TCO chủ yếu sử dụng rộng rãi màng ITO (In 2O3 pha tạp SnO2 ) tạo phương pháp phún xạ magnetron, màng ZnO pha tạp nguyên tố nhóm III (như Al, Ga, In, Sc,…) nghiên cứu để thay cho vật liệu m àng ITO tính kinh tế Ngoài loại màng mỏng suốt dẫn điện tr ên sở TCO InxCd1-xO khả dẫn điện tốt ITO Một số ứng dụng Màng dẫn điện Phương pháp chế tạo loại màng điện II)Một số màng dẫn điện: II.1) Màng ZnO-Ga màng bán dẫn loại n: Màng ZnO-Ga tạo phương pháp phún xạ magnetron có điện trở suất khoảng -5 x 10-4 Ωcm , độ truyền qua trung bình vùng khả kiến T ~ 85% Màng cho tính chất quang điện tốt phún xạ nhiệt độ ph òng Tính chất điện màng cho thấy màng bị ảnh hưởng bắn phá ion âm, nh có độ bền nhiệt tốt xử lý môi tr ường không khí, điều lí giải dựa bán kính ion tạp chất so với bán kính ion nguy ên tử dẫn đến hoà tan rắn thay tốt Bia-đế bố trí song song nên vận tốc tạo màng cao, độ đồng điện trở tốt, tiết kiệm vật liệu, dễ d àng ứng dụng công nghiệp II.1.1 Tạo màng ZnO-Ga phương pháp phú xạ: Màng ZnO-Ga phún xạ đế thuỷ tinh từ bia thiêu kết (ZnO + 4.4% at Ga) nhiệt độ1500oC không khí Bia tròn có đường kính 7.6 cm, dày 2.5 mm, chế tạo phòng thí nghiệm Hệ tạo màng hệ chân không UNIVEX 450 (Đức), áp suất 3x10 -6 torr, áp suất làm việc 3x10-3 torr, lưu lượng khí làm việc Ar (99.999%) 25sccm, nhiệt độ đế từ nhiệt độ phòng đến 300 oC, công suất phún xạ RF 200W Trước phủ màng, đế thủy tinh tẩy rửa phóng điện plasma chân không với dòng 15mA, 2000V thời gian khoảng 10 ph út Bia đế bố trí song song với khoảng cách 4.5 cm Tính chất điện đ ược xác định phương pháp mũi dò, tính chất quang xác định phổ truyền qua UV -Vis, cấu trúc màng phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD) Phương pháp chế tạo loại màng điện II.1.2 Các kết thu được: Phương pháp chế tạo loại màng điện Hình 6: Sơ đồ mạch điện đo điện trở suất mũi dò Có bốn đầu nhọn kim loại Vonfram có khoảng cách dùng để tiếp xúc với bề mặt mẫu Dòng điện qua hai kim loại bên ngoài, hi ệu điện đặt hai mũi kim bên Vì dòng điện (rất nhỏ) xuyên qua nên sai biệt hiệu điện đưa vào kim tiếp xúc Tuy nhiên, có giảm ngang chổ tiếp xúc kim bên ch ỉ đo dòng phạm vi vòng chổ tiếp xúc kim Các đầu dò mang dòng (đầu dò bên ngoài) giống nguồn lưỡng cực, thiết lập trường phân bố bên mẫu đo Chúng ta phải giải thích điện khác hai đầu dò lân cận biến đổi điều kiện biên, tập hợp kích cỡ bề dày mẫu, từ suy biểu thức liên hệ dòng cung cấp, hiệu điện khác điện trở suất mẫu Công thức điện trở suất :   2 s U I Trong : s : khoảng cách hai mũi dò U: hiệu điện hai mũi dò I: dòng qua mẫu từ hai mũi dò Trong trường hợp màng hai chiều mỏng Điện trở định nghĩa điện trở mặt Rs Khi điện trở suất vật liệu chiều dày d :   R s d Màng mỏng có kích thước d s Màng mỏng có kích thước hữu hạn : có : Rs  Rs   U U  4,53 ln I I  U G ln I Trong đó, G số hiệu chỉnh phụ thuộc vào hình dạng, kích thước mẫu khoảng cách s đầu dò V Xác định độ dày, chiết suất độ rộng vùng cấm phần mềm SCOUT Phần mềm xử lí phổ SCOUT – phần mềm ứng dụng quang học có dung lượng 32 bit làm việc môi trường Windows 95/98/NT/2000 – tác giả người Đức Wolfgang Theiss hoàn tất tháng năm 1999 SCOUT cho phép xây d ựng mô hình cho loại phổ truyền qua, phản xạ, hấp thụ, phát quang… tương ứng cho loại vật liệu phù hợp với loại phổ Qua chương trình xử lí, ta xác định thông số tính chất quang điện màng độ dày, chiết suất, độ rộng vùng cấm, điện trở suất, nồng độ hạt tải độ linh động Việc chọn lựa mô hình cho phù hợp tùy thuộc vào loại vật liệu tính chất quang điện muốn khảo sát - Mô hình hàm chiết suất hàm điện môi hàm sở dùng chung để làm gắn vào mô hình - Mô hình dao động Kim thích hợp cho vật liệu điện môi xuất hạt tải điện tự do, xảy dao động nguyên tử mạng tinh thể (có tần số cộng hưởng vùng hồng ngoại) dao động electron liên kết (tần số vùng khả kiến hồng ngoại) - Mô hình Drude thích hợp cho cho vật liệu bán dẫn dẫn điện Trong vật liệu này, hạt tải hoạt động khí điện tử, làm xuất tần số plasma, từ tần số ta suy nồng độ hạt tải điện độ linh động chúng 10 - Mô hình OJL thích hợp cho vật liệu vô đình hình, thông qua chuyển mức điện tử, mô hình cho ta biết độ rộng vùng cấm hàm mũ phân bố trạng thái đuôi vùng xuất dạng thông số trực tiếp kiểu hàm OJL Quá trình xây dựng phổ quang học phần mềm SCOUT tiến hành theo bước sau:  Khai báo liệu: vật liệu tạo màng, thông số quang ban đầu vật liệu (có thể chọn database lấy từ nghiên cứu đáng tin cậy báo cáo)  Xác định loại phổ cần làm khớp, vẽ phổ lý thuyết dựa thông số khai báo  Chọn thông số muốn làm khớp cho phổ lí thuyết trùng khớp với phổ thực nghiệm Nếu muốn cố định thông số đó, ta chọn chế độ “Frozen” “variation” Còn muốn giới hạn giá trị ngưỡng cho thông số, ta chọn “low limit” “high limit”  Thay đổi dần thông số để kết làm khớp tốt Từ ta xác định số quang xác mẫu.Ở đây, chủ yếu quan tâm đến phổ truyền qua màng có nhờ phép đo UV-VIS Kết làm khớp cho ta thông số độ dày, chiết suất độ rộng vùng cấm màng Vì thông số ta quan tâm chiết suất, độ rộng vùng cấm độ dày màng, với vật liệu ta khảo sát chất bán dẫn, nên mô hình Kim OJL thích h ợp để áp dụng cho quy trình làm khớp phổ Sau phổ thực nghiệm phổ lí thuyết trùng khớp với nhất, kết thể bảng cho ta thông số màng 11 Hình Kết làm khớp phổ từ phần mềm SCOUT Vậy, để hiểu biết tốt tính chất m àng mỏng cần kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu khác tiến hành mẫu, thídụ phân tích cấu trúc tinh thể, hình thái học bề mặt, tính chất điện v quang.Trong nhiều trường hợp việc phân tích màng mỏng đơn hay hệ/linh kiện màng mỏng nói chung cần thực tứ c lúc mẫu đặt trường ngoại điện từ trường, ánh sáng, nhiệt độ, dòng ion,… Ngoài ra, phép đo kể cần kết hợp với nhiều phương pháp khác phổ điện quét vòng, phổ tổng trở điện hóa Có làm sáng tỏ chế hiệu ứng hay tượng vật lí xảy hệ màng mỏng 12 ỨNG DỤNG CỦA MÀNG ĐIỆN GVHD: PGS.TS Lê Văn Hi ếu Học viên: Nguyễn Quang Khải Lớp: Vật lý điện tử K 18 ỨNG DỤNG CỦA MÀNG ĐIỆN Tế bào mặt trời tiếp xúc di thể (ZnO:Al)/p-Si chế tạo đế Si loại p phương pháp phún xạ magnetron DC từ bia gốm (ZnO:Al) Với độ dày màng (ZnO:Al) μm phủ nhiệt độ 1600C, áp suất 10-3 torr khí Argon, ện trở đạt màng 4,5.10 -4 Ωm, độ truyền qua trung bình 86 – 87% vùng khả kiến Tiếp xúc ohmic phía sau pin ện cực mặt trước kim loại Al chế tạo phương pháp bốc bay Tế bào mặt trời thu tốt hở mạch Voc = 513 mV, mật độ dòng đoản mạch Jsc = 37,6 mA/cm 2, hệ số lấp đầy FF = 0,4, hệ số chuyển đổi η = 8% Màng dẫn điện suốt ZnO:Al phủ đế PET ( polyethylene glycol tephthalate) phương pháp phún x magnetron DC Màng có c ấu trúc đa tinh thể hexagonal Wiortzite, định hướng ưu tiên theo trục C (002) vuông góc với bề mặt đế, với độ truyền qua vùng khả kiến T ≥ 75%, điện trở suất vào khoảng (3,72 ± 2).10 -3 Ωcm Màng dẫn điện suốt ZnO pha tạp Al chế tạo nghiên cứu cho thấy độ truyền qua độ dẫn diện tốt, gần xấp xĩ với ITO ( indium oxyt pha t ạp Tin), thỏa mãn nhiều yêu cầu ứng dụng thiết bị quang điện tử Các màng đa lớp ZnO:Al /ITO /P-Si ứng dụng để chế tạo pin mặt trời dị thể Màng đa lớp WO /ITO/ đế thủy tinh ứng dụng chế tạo màng điện sắc Màng ZnO:Al đế PET hữu ích việc hạ giá thành, giảm trọng lượng, thu nhỏ thể tích, tạo độ mềm dẻo cho linh kiện quang điện tử Với màng ZnO: Al màng NiOx có th ể ứng dụng chế tạo máy chưng cất lượng mặt trời Màng mỏng suốt dẫn điện (transparent conducting – TC) đối tượng nghiên cứu thu hút nhiều quan tâm nhiều phòng thí nghiệm giới Tính chất đặc biệt vật liệu khả dẫn điện gần kim loại lại suốt vùng khả kiến tương tự chất điện môi Do đặc điểm mà vật liệu TC xuất hầu hết ứng dụng tính dẫn điện suốt cao đồng thời yêu cầu Rất nhiều ứng dụng điện tử, quang điện tử dựa vật liệu TC nghiên cứu phát triển Những thiết bị dạng màng mỏng bao gồm: chống ngưng tụ nước cho cửa sổ máy bay, phương tiện giới; màng chắn tĩnh điện, chắn nhiễu điện từ; gương phản xạ nhiệt cho cửa sổ bóng đèn nhiệt; điện cực suốt cho hình hiển thị tinh thể lỏng (LCD), hình plasma, điện sắc; đi-ốt phát quang hữu (OLED), điện cực cho pin mặt trời dựa Si vô định hình; tiếp xúc bán dẫn cho ứng dụng điện tử suốt Các công nghệ phát triển tivi hình ph ẳng định vị cao (High Definition TV), hình l ớn với độ phân giải siêu cao cho máy tính để bàn, cửa sổ phát xạ thấp (Low Emission), cửa sổ điện sắc, màng mỏng photovoltaic (PV), thiết bị cầm tay thông minh, hình c ảm ứng, thiết bị phát quang Đồng thời có độ truyền qua cao (> 80%) vùng kh ả kiến độ dẫn điện cao (> 103 S.cm-1) tìm vật liệu thông thường Dẫn điện tốt bán suốt thu dạng màng mỏng số kim loại bạc vàng Phương thức thông thường để chế tạo vật liệu TC tạo nên không hợp thức có kiểm soát cấu trúc tinh thể đưa vào tạp chất thích hợp để tạo suy biến i ỨNG DỤNG CỦA MÀNG ĐIỆN vùng cấm rộng số ôxít Những cách thức dễ dàng thu với ôxít dạng màng mỏng chế tạo nhiều kỹ thuật khác Do vật liệu TC dựa ôxít (Transparent Conducting Oxide – TCO) tập trung nghiên cứu nhiều TCO nghiên cứu sử dụng từ đầu kỷ 20 (1907) với CdO Từ nhiều vật liệu TCO dạng màng mỏng nghiên cứu chế tạo ZnO pha tạp, SnO2 pha tạp, In2O3 pha tạp Từ năm 60 kỷ trước, vật liệu TCO sử dụng rộng rãi cho thiết bị quang điện tử In2O3 pha tạp Sn (ITO) Và nay, ITO vật liệu sử dụng chủ yếu sản suất linh kiện quang điện tử tính ưu việt độ dẫn điện tính suốt Vật liệu ZnO, SnO2 pha tạp, thu hút nhiều nghiên cứu có ưu điểm chi phí thấp nhiều so với ITO, nhiên phạm vi ứng dụng quang điện tử chưa rộng rãi chưa thể thay ITO số nhược điểm chưa khắc phục ví dụ độ dẫn điện Sự phát triển mạnh mẽ ứng dụng đa dạng vật liệu TCO ngày làm cho việc nghiên cứu mặt khoa học triển khai công nghệ vật liệu ngày đẩy mạnh Về thực nghiệm, người ta tiếp tục nghiên cứu sử dụng TCO cho ứng dụng tăng cường tính cho ứng dụng có, bên cạnh việc tổng hợp tăng cường độ dẫn điện cho loại vật liệu TCO có hàm lượng In ôxít nhiều thành phần ZnO-In2O3, In2O3-SnO2 ZnO- In2O3-SnO2 TCO In ZnO pha t ạp Al,Ga cho ứng dụng hình hiển thị có diện tích lớn, yêu cầu tốc độ đồ họa nhanh Về lý thuyết, sở khoa học vật liệu tiếp tục củng cố xây dựng, phương pháp nghiên c ứu tính chất dựa mô hình vật lý để phân tích dự đoán giới hạn tính TCO đưa Nhiều ứng dụng TCO quan tâm thiết bị điện tử hay quang điện tử tiếp xúc dị thể chế tạo dựa TCO điện cực cho OLED, pin mặt trời, sensor quang học thiết bị điện tử, quang điện tử dựa chuyển tiếp p-n suốt điốt, transistor, điốt phát quang, laser, đầu dò UV, ứng dụng hình suốt, mạch tích hợp suốt, Do yêu cầu tính dẫn điện suốt, tính chất khác tính chất tinh thể, tính chất bề mặt tương thích tiếp xúc bề mặt vật liệu TCO với vật liệu khác cần nghiên cứu cách đầy đủ Ngoài yếu tố liên quan đến công nghệ chế tạo cải thiện kỹ thuật có, xây dựng kỹ thuật chế tạo mới, tìm cách thức triển khai sản xuất công nghiệp cách hiệu quan tâm chúng định việc chuyển giao kết nghiên cứu vào thực tiễn TRANSISTOR MÀNG MỎNG: Trong mạch số, Transistor thường sử dụng linh kiện chuyển mạch hai trạng thái Trạng thái của transistor sử dụng đặt dây cao thấp, biểu diễn nhị phân tương ứng máy tính Chức số học logic thực xây dựnh mạch sử dụng transistor chuy ển mạch Chức thứ hai transistor máy tính khu ếch đại Một tín hiệu nhỏ vào điều khiển tín hiệu lớn nhiều lần Sự khuếch đại cho phép tín hiệu cần truyền qua chuyển mạch máy tính mà không m ất biên độ 2.PIN MẶT TRỜI: Tế bào lượng mặt trời hay pin mặt trời tiếp xúc p-n mà không áp vào qua tiếp xúc Pin mặt trời biến đổi lượng photon thành lượng điện cung cấp lượng cho tải Linh kiện sử dụng lâu cho nguồn nuôi vệ tinh, thiết bị không gian nguồn nuôi máy tính tay Đầu tiên ta khảo sát pin mặt trời tiếp xúc đơn giản với việc phát đồng phần tử mang dư Ta xét đến pin mặt trời silic vô định hình tiếp xúc khác loại ii ỨNG DỤNG CỦA MÀNG ĐIỆN 2.1 Pin mặt trời tiếp xúc p-n: Khảo sát tiếp xúc p-n nối với tải, chí với thiên áp zero áp vào tiếp xúc này, điện trường tồn vùng điện tích không gian trình bày hình vẽ Khi chiếu photon tới tạo nên cặp điện tử-lỗ trống vùng điện tích không gian quét tạo nên dòng quang điện Il theo chiều thiên áp ngược trình bày Dòng quang điện Il tạo nên sụt qua tải, thiên áp thuận tiếp xúc p-n Thế thiên áp thuận tạo nên dòng thuận IF, thị hình vẽ Dòng tiếp xúc p-n thực theo hướng thiên áp ngược bằng: I= Il - IF = Il - Is(exp(eV/KT)-1) (2.1) Ở biểu thức điôt lý tưởng sử dụng Khi điôt bắt đầu thiên áp thuận, độ lớn điện trường vùng điện tích không gian giảm, không tới zero hay thay đổi hướng Dòng quang điện thường theo hướng thiên áp ngược dòng pin mặt trời thực thường theo hướng ngược Có hai trường hợp giới hạn cần quan tâm Điều kiện đoản mạch xuất R=0 V=0 Dòng trường hợp gọi dòng đoản mạch, hay I=Isc=Il (2.2) Trường hợp giới hạn thứ hai điều kiện mạch hở xuất R tiến đến vô Dòng thực zero tạo nên mạch hở Dòng quang điện cân dòng tiếp xúc thiên áp thuận ta có I=0= Il - Is(exp(eV/KT)-1)=0 (2.3) Ta tìm mạch hở V0c V0c= Vtln(1+Il/Is) (2.4) Biểu đồ dòng điôt I hàm số điôt V từ biểu thức (2.1) trình bày hình 2.1 ta ý dòng đoản mạch mạch hở hình vẽ Công suất tải P=IV=I lV-Is(exp(eV/KT)-1)V (2.5) Ta tìm dòng cho công suất cực đại tải cách đặt phương trình vi phân 0, hay dP/dV=0 Sử dụng biểu thức (2.5), ta tìm thấy dP/dV=0= Il-Is(exp(eV m/KT)-1)-IsVm(e/KT)(exp(eV m/KT)-1) (2.6) Vm tạo nên công suất cực đại Ta viết lại biểu thức (2.6) dạng (1+V m/ Vt)exp(eV m/KT)=1+ Il/Is (2.7) Giá trị Vm xác định cách thử Hình 2.2 trình bày hình ch ữ nhật công suất cực đại, Im dòng V=V m 2.2 Hiệu suất biến đổi: Hiệu suất biến đổi pin mặt trời xác định tỷ số công suất điện lối công suất quang tới Đối với công suất lối cực đại ta viết: Ŋ=Pm/Pin*100=100I mVm/Pin (2.8) Dòng cực đại cực đại pin mặt trời Isc V 0c tương ứng Tỷ số ImVm/ IscV0c gọi hệ số choán phép đo công suất thực từ pin mặt trời Thông thường hệ số choán nằm khoảng 0.7 0.8 Pin mặt trời tiếp xúc p-n thông thường có lượng vùng cấm bán dẫn đơn Khi tế bào chiếu phổ mặt trời, photon có lượng bé E g không ảnh hưởng lên công suất điện pin mặt trời Photon có lượng lớn E g seư đóng góp vào công su ất pin mặt trời, phần lượng lớn E g tiêu tán dạng nhiệt Hình 2.3 trình bày chiếu xạ phổ mặt trời ( công suất diện tích đơn vị bước sóng đơn vị) khối lượng không khí zero biểu diễn phổ mặt trời khí trái đất khối lượng phổ mặt trời bề mặt trái đất vào lúc trưa Hiệ suất cực đại pin mặt trời tiếp xúc p-n silic gần 28% Những hệ số không lý tưởng trở kháng iii ỨNG DỤNG CỦA MÀNG ĐIỆN nối tiếp phản xạ từ bề mặt chất bán dẫn hạ thấp hiệu suất biến đổi điển hình khoảng từ 10 đến 15% Những thấu kính quang học lớn sử dụng để tập trung ánh sáng mặt trời cường độ sáng tăng đến hàng trăm lần Dòng đoản mạch tăng tuyến tính với tập trung sáng, th ế mạch hở tăng với tập trung ánh sáng Hình 2.4 trình bày hiệu suất pin mặt trời lý tưởng 300K hai giá trị tập trung Ta thấy hiệu suất tăng với tập trung quang học Ưu điểm kỹ thuật tập trung giảm giá thành hệ thấu kính quang học rẻ diện tích tương đương pin mặt trời 2.3 Pin mặt trời tiếp xúc khác loại: Như ta nói trên, loại tiếp xúc khác loại tạo thành hai chất bán dẫn với lượng vùng cấm khác Biểu đồ lượng vùng cấm hai tiếp xúc khác loại p-N điển hình cân nhiệt trình bày hình 2.5 Giả thiết photon tới vật liệu có vùng cấm rộng, tác dụng vào cửa sổ quang học photon với lượng lớn E gp bị hấp thụ vật liệu có vùng cấm hẹp Trung bình, phần tử mang dư tạo nên vùng nghèo đ ộ dài khuếch tán tiếp xúc tụ đóng góp vào dòng quang điện Photon với lượng lớn E gn bị hấp thụ vật liệu vùng cấm rộng phần tử mang dư phát độ dài khuếch tán tiếp xúc tụ Nếu Egn đủ lớn, photon lượng cao hấp thụ vùng điện tích không gian vật liệu vùng cấm hẹp Pin mặt trời tiếp xúc khác loại có đặc trưng tốt pin mặt trời tiếp xúc đồng nhất, đặc biệt tai bước song ngắn Một loại tiếp xúc khác loại trình bày hình 2.6 M ột tiếp xúc đồng p-n tạo thành sau vật liệu vùng cấm rộng phát triển đỉnh Một lần nữa, vật liệu vùng cấm rộng có tác dụng cửa sổ quang học lượng photon hν