ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
PTN CƠNG NGHỆ NANO

NGUYỄN ĐÌNH NGHĨA

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO
MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ BẰNG VẬT LIỆU Si3Nx SiOx
DÙNG CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh - 2012


i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
PTN CƠNG NGHỆ NANO

NGUYỄN ĐÌNH NGHĨA

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO
MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ BẰNG VẬT LIỆU Si3Nx SiOx
DÙNG CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành:Vật liệu và Linh kiện Nanơ
(Chun ngành đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học:

TS. NGUYỄN TRẦN THUẬT
Thành phố Hồ Chí Minh – 2012


iv
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ............................................................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................................... viii
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 1
Chương 1

Tổng quan pin mặt trời đơn tinh thể ................................................................ 2

1.1 Pin mặt trời một tiếp xúc p-n ........................................................................................ 2
1.2 Cấu trúc vật liệu tạo tế bào quang điện một lớp tiếp xúc p-n .................................... 4
1.2.1 Cấu trúc mạng và cấu trúc vùng năng lượng ............................................................ 4
1.2.2 Sự hấp thụ photon ..................................................................................................... 4
1.2.3 Vật liệu bán dẫn c-Si loại i, n và p ............................................................................ 6
1.2.4 Sự thất thoát hạt tải do tái hợp .................................................................................. 9

1.2.5 Tiếp xúc p-n ............................................................................................................ 10
1.3 Nguyên lý họat động..................................................................................................... 14
1.3.1 Dòng quang điện ..................................................................................................... 14
1.3.1 Đặc tuyến J-V ........................................................................................................ 16
Chương 2

Vật lý lắng đọng hơi hóa học plasma tăng cường .......................................... 19

2.1 Tổng quan về plasma ................................................................................................... 19
2.2 Phóng điện phát quang không cân bằng .................................................................... 20
2.3 Cấu trúc buồng plasma sử dụng ................................................................................. 21
2.4 Mơ hình phản ứng của các chất sử dụng tạo màng................................................... 21
Chương 3

Tính tốn quang học ......................................................................................... 24

3.1 Tổng quan về sóng ánh sáng ....................................................................................... 24
3.1.1 Sóng điện từ tự do ................................................................................................... 24
3.1.2 Hiện tượng phân cực ............................................................................................... 26
3.1.3 Cường độ ánh sáng phân cực .................................................................................. 27
3.1.4 Phổ bức xạ mặt trời ................................................................................................. 28
3.2 Xây dựng ma trận truyền cho hệ quang học ............................................................. 30
3.2.1 Hệ số phản xạ và truyền qua ................................................................................... 30
3.2.2 Công thức Fresnel ................................................................................................... 31
3.2.3 Tương tác của sóng phẳng với mơi trường ............................................................. 33
3.2.4 Sự phản xạ của sóng phân cực thẳng ...................................................................... 35
3.2.5 Tính tốn với hệ màng đa lớp ................................................................................. 37
Chương 4

Màng đơn lớp oxit silic ..................................................................................... 43


4.1 Thực nghiệm màng oxit silic ....................................................................................... 43
4.1.1 Thiết bị sử dụng ...................................................................................................... 43


v
4.1.2 Chiết suất màng phụ thuộc các điều kiện plasma ................................................... 43
4.2 Tối ưu hóa chống phản xạ ........................................................................................... 48
4.2.1 Tính tốn ................................................................................................................. 48
4.2.2 So sánh phương pháp .............................................................................................. 49
4.2.3 Tính tốn tối ưu....................................................................................................... 53
Chương 5

Màng hai lớp chống phản xạ cho pin mặt trời ............................................... 59

5.1 Lựa chọn chiết suất và tính tốn tối ưu ...................................................................... 59
5.1.1 Tính tốn tối ưu....................................................................................................... 59
5.1.2 Số liệu thực nghiệm ................................................................................................ 62
5.2 Đánh giá và so sánh ...................................................................................................... 62
5.2.1 Đánh giá .................................................................................................................. 62
5.2.2 Sự dịch chuyển đáy phổ .......................................................................................... 63
5.2.3 So sánh độ phản xạ tính tốn các loại màng ........................................................... 65
Kết luận và hướng phát triển ................................................................................................ 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 68
PHỤ LỤC ................................................................................................................................ 73


1

Chương 1


Tổng quan pin mặt trời đơn tinh thể
1.1 Pin mặt trời một tiếp xúc p-n
Năng lượng bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng sạch và có
thể chuyển hóa trực tiếp thành điện năng bởi tế bào quang điện.
Số liệu mật độ năng lượng mặt trời chiếu tới các địa phương từ
khu vực phía Bắc tới Nam như Hình 1-1

Mật độ năng lượng (kWh/m2
/ngày)

Hà Nội

Đà Nẵng

TP. Hồ Chí Minh

7
6
5
4
3
2

Hình 1-1: Mật độ năng lượng bức xạ mặt trời trung bình trong
ngày tại Việt Nam[11]

Tế bào quang điện sử dụng đế silic đơn tinh thể được sử
dụng khá phổ biến (tạo từ phương pháp mọc Czochralski (Cz)
hoặc Floatzone (Fz) và được pha tạp trong quá trình mọc mầm

để tạo thành đế loại n hoặc loại p). Trong số đó là tế bào quang
điện có một lớp tiếp xúc giữa hai bán dẫn loại p và bán dẫn loại
n có cùng một cấu trúc tinh thể. Cấu trúc một tế bào quang điện
một lớp tiếp xúc p-n tiêu biểu được mô tả như Hình 1-2


2

Hình 1-2: Cấu trúc tế bào quang điện (solar cell) một tiếp xúc p-n

Để có một tế bào quang điện, thì một lớp tiếp xúc p-n đã có
thể đóng vai trò là một tế bào quang điện. Luận văn “NGHIÊN
CỨU CHẾ TẠO MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ BẰNG VẬT
LIỆU SiNx SiOx DÙNG CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI” sử dụng hai vật liệu silic nitrit (silicon nitride) và oxit
silic (silicon dioxide) chế tạo bằng phương pháp phủ lắng đọng
hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD) với bề dày tối ưu
chống phản xạ để giảm sự thất thoát quang học, cũng như giảm
tái hợp hạt tải ở bề mặt dẫn đến nâng cao hiệu suất chuyển hoán
tổng hợp của pin.
1.2 Cấu trúc vật liệu tạo tế bào quang điện một lớp tiếp xúc
p-n
1.2.1 Cấu trúc mạng và cấu trúc vùng năng lượng
Mạng tinh thể silic có kiểu cấu trúc mạng kim cương với ô
cơ sở dạng lập phương tâm mặt và cấu trúc vùng năng lượng là
cấu trúc vùng cấm xiên (Hình 1-3b) ở nhiệt độ 300K bề rộng
vùng cấm silic vào khoảng 1,12eV[2]


3


.
Hình 1-3: (a) Cấu trúc mạng lập phương tâm mặt của Si (b) Cấu
trúc vùng dẫn bán dẫn c-Si [9]

1.2.2 Sự hấp thụ photon
1.2.2.1 Sự chuyển mức
Hấp thụ cơ bản liên quan tới sự hình thành hạt tải dư khi
silic hấp thụ photon [10] [2] (Hình 1-3b) làm dịch chuyển
electron tới đáy vùng dẫn gián tiếp qua mức giả bền, sau đó là
sự phát sinh hay hấp thụ phonon kèm theo, thỏa mãn
Định luật bảo toàn động lượng trong trường hợp chuyển
mức xiên có dạng : k 'e  k e  k photon  k phonon
Định luật bảo toàn năng lượng trường hợp chuyển mức xiên
có dạng: Ek '  Ek   photon   phonon
1.2.2.2 Hệ số hấp thụ
Do sự hấp thụ photon cường độ ánh sáng sẽ giảm dần theo
độ sâu x theo qui luật hàm mũ. Hệ số hấp thụ  và chiều dài
hấp thụ 1/  (cm) photon của bán dẫn Si (bước sóng trong chân
khơng) được trình bày ở Hình 1-4. Các bước sóng càng ngắn (
3
0  1.24 Eg (eV )  10  1103( nm) ) thì càng dễ bị hấp thụ ở
khoảng cách gần với bề mặt hơn, với bước sóng 1000nm thì
chiều dài hấp thụ của nó là 140 m , cho nên người ta thường
chọn các đế Silic có bề dày trên 200 m [10].


4
Độ dài hấp thụ


1E+06
1E+04
1E+02
1E+00
1E-02
1E-04
1E-06
1E-08

1E+07
1E+05
1E+03
1E+01
1E-01
1E-03
1E-05
1E-07
200

400

600

800

1000

1200

1400


Bước sóng (nm)

Hình 1-4: Hệ số hấp thụ và chiều dài hấp thụ của bán dẫn c-Si[13]

1.2.3 Vật liệu bán dẫn c-Si loại i, n và p
Trong chế tạo tế bào quang điện sử dụng đế c-Si loại p, để
tạo tiếp xúc p-n, ta pha tạp Photpho lên mặt trên của đế để có
bán dẫn loại n như ở Hình 1-2, tức cả hai loại chất cho và nhận
(electron) vào cùng cấu trúc tinh thể. Đây chính là bán dẫn bù
loại n có N D  N A , nồng độ chất cho hiệu dụng khi đó là

N D  N A [1]. Ở nhiệt độ phòng, nồng độ hạt tải thiểu số khi đó
2
được xác định p0  ni n0 , nồng độ điện tử là :

n0 

ND  N A
2

 N D  N A   n2


i
2


2




1.2.4 Sự thất thoát hạt tải do tái hợp
Hạt tải dư này sẽ mất đi do tái hợp. Ta có sự tái hợp vùngvùng, tái hợp do khuyết tật, tái hợp Auger, dangling bond

Chiều dài hấp thụ (cm)

Hệ số hấp thụ (/cm)

Hệ số hấp thụ


5

Hình 1-6: Các cơ chế tái hợp.a) vùng-vùng. b) Auger. c) do khuyết
tật[10]

Sự tái hợp liên quan tới thời gian sống của hạt tải, nhưng sự
tái hợp của hạt tải trong tinh thể không ảnh hưởng mạnh bởi sự
tái hợp vùng-vùng này [10]. Sự tái hợp Auger có ảnh hưởng
mạnh tới thời gian sống của hạt tải trong vật liệu bán dẫn pha
tạp nồng độ cao. Tái hợp do khuyết tật (tái hợp
Shockley,Read&Hall) là do các sai hỏng trong mạng hay do
nguyên tử tạp chất bẫy điện tử và lỗ trống gặp nhau để hủy cặp.
Các cơ chế tái hợp trên đồng thời ảnh hưởng tới thời gian sống
của hạt tải thì thời gian sống của hạt tải xác định bởi
1
1
1
Với

nồng
độ
vào
khoảng
 1   radiation
  Auger
  SRH

1016  1018 cm3 , theo Kendall ước lượng thời gian sống của hạt
0
tải vào khoảng  
, với  0  400 s là thời gian
15
1  N D 7.10
sống của hạt tải trong bán dẫn thuần [10]

1.2.5 Tiếp xúc p-n
1.2.5.1 Tiếp xúc p-n trạng thái cân bằng
Tế bào quang điện cấu thành từ tiếp xúc p-n, hai phía tiếp
giáp hai khối bán dẫn là vùng nghèo điện tích tích tự do bởi sự
hình thành điện trường tiếp xúc  (V / cm) chống lại sự
khuyếch tán của các hạt tải đa số và tương ứng với nó là thế rào
gắn Vbi bằng độ chênh lệch hai mức Fermi của hai vùng bán
dẫn n và p, nó đảm bảo sự cân bằng về nồng độ hạt tải đa số ví
dụ là electron ở bán dẫn n với hạt tải thiểu số electron ở vùng p


6
[1] (tức J ndrif  J n diff , J p drif  J p diff ). Cấu trúc vùng dẫn
của tiếp xúc p-n được trình bày như Hình 1-8.


Hình 1-8: Biểu đồ vùng năng lượng của tiếp xúc p-n cân bằng
nhiệt [1]

1.2.5.2 Tiếp xúc p-n dưới thiên áp thuận và ngược
Khi đặt điện áp ngoài VA (hiệu điện thế cực p đối với n) thì
điện trường ngồi làm thay đổi điện trường ,rào điện thế cũng
như bề rộng vùng nghèonhư Hình 1-9 mơ tả.

Hình 1-9: Biểu đồ vùng năng lượng a) thiên áp ngược, b) thiên áp
thuận [1]

Mật độ dịng điện qua tiếp xúc p-n được mơ tả bởi phương
trình Shockley :


eV
 eD n 2 eD n 2 
J  J 0 exp( A )  1 Với J 0   n i  p i  là dòng
k BT


 Ln N A Lp N D 
bão hòa ngược (saturation current hay dark current). Khi ta
khảo sát đặc tuyến J-V của tế bào quang điện (ở Hình 1-13 (ứng
với I L  0 )), J 0 càng lớn tương ứng với sự tái hợp hạt tải lớn.
1.3 Nguyên lý họat động
1.3.1 Dịng quang điện
Nguồn photon ánh sáng đóng vai trị như nguồn bơm hạt tải
dư và nhờ tính chất điện trường vùng nghèo của tiếp xúc p-n đã



7
đề cập ở mục 4.2.5 phân tách electron di chuyển về phía bán
dẫn n và lỗ trống di chuyển về phía bán dẫn p khi chúng tiến tới
vùng này. Do đó cấu trúc của tế bào quang điện như Hình 1-2
đóng vai trị là một nguồn điện khi được được chiếu sáng.

Hình 1-10: Dịng hạt tải trong tế bào quang điện ở điều kiện a)
Chiếu sáng hở mạch, b) Chiếu sáng ngắn mạch[13]

Khi chiếu sáng và không nối với mạch ngoài, hiệu điện thế
xuất hiện ở hai đầu bán dẫn p và n (Hình 1-10a) gọi là thế hở
mạch VOC . Nối tắt mạch ngồi, thì dịng điện ngắn mạch I SC thu
được chính là dịng quang điện I L (Hình 1-10b). Sự hấp thụ
photon tạo ra hạt tải dư để tạo thành dịng quang điện có thể xảy
ra ở các vị trí khác nhau trong khối bán dẫn. mật độ dòng quang
điện được xác định bởi
W
  I e x


J L  q    0 
1  R   .CP( x)d   dx
hc / 


0 
d


trong đó Wd là bề dày diode, q là điện tích hạt tải. Theo mơ hình
diode lý tưởng và bỏ qua sự tái hợp vùng nghèo, dịng quang
điện có thể được xác định J L  qG( Ln  Lp  W ) [10],
Ln , Lp , W tương ứng là độ dài khuyếch tán điện tử, lỗ trống, bề

rộng vùng nghèo, G là tốc độ sinh hạt tải dư.
1.3.2 Đặc tuyến J-V
Hiệu suất chuyển hoán quang năng thành điện năng là thông
số quan trọng của tế bào quang điện. Thơng số này nhận được
khi ta có khảo sát đặc tuyến J-V của tế bào quang điện như
Hình 1-13. Dịng điện qua tế bào quang điện khi chiếu sáng là


8
dòng tổng cộng của dòng diod (mục 1.2.5.2) và dòng quang



điện (mục 1.3.1) : J  J 0 e

VA /VT

 1  J L

Hình 1-13: Đặc tuyến J-V của tế bào quang điện lý tưởng

1.3.2.1 Dòng ngắn mạch
Như thế, từ đặc tuyến J-V ta có thể ước lượng giá trị của
dòng quang : I SC   I L
1.3.2.2 Thế hở mạch


 IL

VOC  VA ( I  0)  VT ln 

 I0



IL



I0

 1  VT ln

Với dòng bão hịa ngược I 0 (dịng tối). Muốn có dịng bão
hịa nhỏ (xem mục 1.2.5.2) ta cần có VOC lớn.
1.3.2.3 Cơng suất cực đại
P  VA I  I 0VA eV /V  1  I LVA



A

T




1.3.2.4 Hệ số lấp đầy
FF  I m .Vm I sc .Voc
1.3.2.5 Hiệu suất
Hiệu suất của tế bào quang điện được xác định bằng tỉ số giữa
P
I .V .FF
  m 100%  sc oc
Pin
Pin


9

Chương 2

Vật lý lắng đọng hơi hóa học plasma tăng cường
2.1 Tổng quan về plasma
Plasma là một dạng thứ tư của vật chất chứa các hạt trung
hịa và tích điện bao gồm một vài hay tất cả các hạt sau :
electron, ion dương, ion âm, nguyên tử, phân tử. Xét trung bình,
thì điện tích của khối plasma là trung hịa do nếu có điện tích
nào đó khơng cân bằng thì dẫn đến sự hình thành điện trường
mà điện trường này có xu hướng làm triệt tiêu sự khơng cân
bằng. Tổng điện tích dương và điện tích âm trong khối plasma
là cân bằng nhau.
Phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma
(PECVD) được sử dụng phổ biến cho việc tạo màng cách điện
Silicon Nitride và Silicon dioxide. Ưu điểm của PECVD là hoạt
động ở nhiệt độ thấp hơn so với hệ lắng đọng hơi hóa học thơng
thường (CVD).

2.2 Phóng điện phát quang khơng cân bằng
Hầu hết sự phóng điện phát quang sử dụng trong cơng
nghiệp vi điện tử là khí chịu tác động của sóng điện từ và chúng
là sự phóng điện phát quang khơng cân bằng ( hay plasma
lạnh), được định nghĩa là khí bị ion hóa từng phần chứa mật độ
thể tích của các điện tích dương và điện tích âm bằng nhau của
các hạt ( các ion và electron) và các mật độ khác nhau ở trạng
thái cơ bản hay kích thích của các hạt trên.
2.3 Cấu trúc buồng plasma sử dụng

Hình 2-2: Oxford instrument – Plasmalab80plus


10
Thiết bị Plasmalab80Plus là thiết bị phủ màng dựa trên cơ
chế lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD) được
sử dụng để tạo màng SixNy-H và màng SixOy-N với các tiền
chất N2 , NH3 , SiH 4 , N2O . Trạng thái plasma được tạo nhờ vào
tần số sóng điện từ RF dưới 1MHz sẽ làm các ion trong plasma
có thể chuyển động theo sự thay đổi của tần số với quãng
đường lớn hơn so với RF là 13,5MHz, sử dụng tần số 13,5 MHz
này giúp tránh được sự bắn phá của các ion lên bề mặt màng
2.4 Mô hình phản ứng của các chất sử dụng tạo màng
Cơ chế lắng đọng PECVD có thể coi gồm năm bước chính
[14]:

Hình 2-3: Mơ hình lắng đọng tạo màng

Bước 1 : Sự va chạm với các electron sơ cấp với các khí
phản ứng để tạo thành các ion và gốc tự do.

Bước 2 : Liên quan tới sự phản ứng trong pha khí và sự vận
chuyển các hạt phản ứng về bề mặt đế.
Bước 3 : Sự hấp thụ các hạt phản ứng lên bề mặt đế, do sự
phản ứng với các nguyên tử ở bề mặt đế hoặc cũng có thể phản
ứng với các mãnh hấp thụ chúng.
Bước 4 : Sự hấp thụ các hạt tạo thành trong plasma lên bề
mặt đế. Các hạt này tạo thành từng cụm, tăng dần và liên kết lại
với nhau thành màng.
Bước 5 : Sự bay ra khỏi buồng phản ứng của các sản phẩm
phụ dễ bay hơi như H 2 & H 2O .


11

Chương 3

Tính tốn quang học
3.1 Tổng quan về sóng ánh sáng
Việc tính tốn sự phản xạ (hoặc truyền qua) của ánh sáng để
sử dụng cho màng chống phản xạ giúp xây dựng mơ hình để
ước lượng vùng cực tiểu phản xạ ứng với các thông số màng
(bề dày, chiết suất). Như thế giảm bớt thời gian thực nghiệm khi
ta ngắm vào khoảng khảo sát định trước ứng với cực tiểu phản
xạ quan tâm, cũng như khi sử dụng với vật liệu điện mơi tạo
màng khác hay loại đế khác.
3.1.1 Sóng điện từ tự do
Trong môi trường đồng chất không suy hao, sóng ánh sáng
được mơ tả là sóng điều hịa tuần hoàn với chu kỳ thời gian
T  2   1 f (s)
và

chu
kỳ
không
gian
là

  v f  2 v  (m) Để thuận tiện tính tốn, dạng phức của
sóng được sử dụng
E (r , t )  E 0 exp[i (t  k .r )]
H (r , t )  H 0 exp[i (t  k .r )]

với k   v  n   2   n là vector sóng theo hướng
truyền sóng,  là bước sóng ánh sáng trong mơi trường nó lan
truyền.
3.1.2 Hiện tượng phân cực
Sóng ánh sáng là sóng ngang, giả sử với phương truyền z, thì
sóng này được coi là sự chồng chập của hai sóng có phương dao
động x và y. Tùy vào độ lệch pha  y   x hay  x   y thì ta có
sóng phân cực thẳng, trịn trái, trịn phải, ellip. Sóng ánh sáng tự
nhiên khơng phân cực, ta có thể coi nó là sự chồng chập của
nhiều sóng phân cực thẳng
3.1.3 Cường độ ánh sáng phân cực
Khái niệm về cường độ sáng mang ý nghĩa năng lượng.
Dịng năng lượng sóng điện từ được xác định bởi vector
Poynting cùng chiều vector n chỉ phương truyền. :


12
P  E  H (W / m2 ) [6] hay mật độ dịng năng lượng [4]. Có
giá trị tỉ lệ với bình phương biên độ sóng. Khi một sóng phân

cực là tổng hợp của hai sóng có phương phân cực thẳng vng
góc với nhau E  Ex  E y thì cường độ của sóng sẽ là [3]:

I  K E 2  K Ex2  E 2y  K Ex2  K E y2  I x  I y

3.1.4 Phổ bức xạ mặt trời
Ta có các phổ mật độ năng lượng ánh sáng mặt trời khác
nhau như Hình 3-5.

Hình 3-5: Phổ mật độ năng lượng bức xạ từ mặt trời [7]

Ta sử dụng phổ này để khảo sát số photon phản xạ lại ứng
với dãi bước sóng 280nm-1150nm.
3.2 Xây dựng ma trận truyền cho hệ quang học
3.2.1 Hệ số phản xạ và truyền qua
Trong mơ hình tính toán cho màng, ta coi T  R  1 , với T
và R là hệ số truyền qua và phản xạ cường độ sáng.
3.2.2 Công thức Fresnel
Các hệ số Fresnel là hệ số biên độ của sóng phân cực thẳng
tại mặt tiếp giáp, được sử dụng trong ma trận truyền và sử dụng
được cho môi trường chiết suất phức. Mơi trường có chiết suất
ni góc tới  i sang mơi trường n j với góc khúc xạ  j


13

Hình 3-7: Sóng ánh sáng tương tác với mặt tiếp giáp

Trường hợp là sóng phân cực TM[17]
2 j

2 i
EB ( xi ) ni k x  n j k x n j cos i  ni cos  j
rij 


EF ( xi ) ni2 k xj  n 2j k xi n j cos i  ni cos  j

tij 

EF ( xi ) ni
2ni cos i
 1  rij  

EF ( xi ) n j
n j cos  j  ni cos  j

Trường hợp là sóng phân cực TE

rij 

EB ( xi ) k xi  k xj ni cos i  n j cos  j


EF ( xi ) k xi  k xj ni cos i  n j cos  j

tij 

EF ( xi )
2k xi
2ni cos i


1

r


ij

i
j
EF ( xi )
k x  k x ni cos i  n j cos  j

Hệ số phản xạ R có thể nhận được từ hệ số Fresnel: R  r

2

3.2.3 Tương tác của sóng phẳng với môi trường
Sử dụng chiết suất dạng phức trong mô tả dạng phức của
sóng có thể mơ tả thuận lợi cho cả mơi trường có suy hao cường
độ sáng như đế Silic và môi trường không suy hao là màng
SiNx và SiOx mà ta sử dụng
3.2.4 Sự phản xạ của sóng phân cực thẳng
Ta sử dụng cơng thức Fresnel để khảo sát sự thay đổi biên
độ phản xạ cũng như pha của sóng phản xạ với hai loại sóng TE
và TM ứng với góc tới khác nhau giữa các mơi trường điện môi
đẳng hướng (Code3: Brewster2.m) phù hợp với tài liệu [9]


14

3.2.5 Tính tốn với hệ màng đa lớp
Ta coi quang hệ là sự xếp tầng các mặt tiếp giáp và các lớp

Hình 3-13: a) : Xây dựng ma trận truyền qua mặt tiếp giáp. (b) :
Xây dựng ma trận truyền qua bề dày

3.2.5.1 Ma trận truyền cho một mặt tiếp giáp
Từ Hình 3-13a xây dựng ma trận truyền ứng với sóng
truyền qua mặt tiếp giáp giữa lớp chiết suất ni & n j là:

Tij 

1
tij

1
r
 ij

rij 
1 

3.2.5.2 Ma trận truyền cho một lớp
Ta có ma trận truyền ứng với lớp ni đó là :

e ik .d
Ti  
 0

  e  i

0 

 i 
 ik . d
e
  0 e 
Thành phần pha i   2 0  ni di cos i là đại lượng phức
x ,i

i

0

x ,i

i

i

i

3.2.5.3 Ma trận truyền cho quang hệ
Ma trận truyền cho toàn hệ là
 EF ( x0 )  T110 N T120 N   EF ( xN 1 ) 
  0N


 
0N  
 EB ( x0 )  T21 T22   0 

Hệ số phản xạ biên độ và cường độ sóng tại bờ âm đầu tiên
cần tìm:
2
EB ( x0 ) T210 N
T210 N
2
r

và R  r  0 N
EF ( x0 ) T110 N
T11


15

Chương 4

Màng đơn lớp oxit silic
4.1 Thực nghiệm màng oxit silic
4.1.1 Thiết bị sử dụng
Từ phổ phản xạ thu được từ đầu thu của thiết bị Filmtek với
nguồn phát sáng cũng của thiết bị Filmtek, chọn vật liệu trong
danh sách vật liệu NK của chương trình kèm theo máy với mơ
hình khớp hàm (fitting) là SCI để xuất ra dữ liệu chiết suất, hệ
số tắt và bề dày.
4.1.2 Chiết suất màng phụ thuộc các điều kiện
plasma
4.1.2.1 Chiết suất màng phụ thuộc tỉ lệ N2O:SiH4
SiOx-rat1
SiOx-rat4

SiOx-rat5
SiOx-rat2
SiOx-rat3
SiOx-rat7
SiOx-rat6
SiOx-rat8
SiO2 tham khao

1.70

1.65

n

1.60

1.55

1.50

1.45

200

300

400

500


600

700

800

900

1000

Wavelengh (nm)

Chiết suất (bước sóng
600nm)

Hình 4-2: Chiết suất thay đổi theo tỉ lệ khí N2O:SiH4 trong điều
kiện nhiệt độ đế 3000C, áp suất buồng 1000mTorr, cơng suất RF 20W

Chiết suất theo tỉ lệ khí

1.65
1.6
1.55
1.5
1.45
0

10

20


30

40

50

60

70

80

N2O:SiH4
Hình 4-3: Khi tăng tỉ lệ khí tiền chất N2O:SiH4 thì chiết suất có xu
hướng giảm, trong điều kiện nhiệt độ đế 3000C, áp suất buồng
1000mTorr, công suất RF 20W


16
Khi tỉ lệ khí phản ứng N2O : SiH 4 tăng thì chiết suất giảm
(xem Hình 4-3) do sự chiếm tỉ lệ lớn của gốc O so với các gốc
SiH m tạo sự thuận lợi cho tạo liên kết Si-O (xem 2.4 ). Khi tỉ lệ
khí thấp, chiết suất màng cao ứng với nồng độ Si trong màng
cao hơn [15] Với màng SiOx- PECVD ta phủ bên trên màng
SiN cần chiết suất thấp tiến tới chiết suất SiO2
4.1.2.2 Chiết suất màng phụ thuộc vào áp suất buồng
SiOxpres9(500mTorr)
SiOxpres10(1300mTorr)
SiOxpres13(800mTorr)

SiOxpres11(1500mTorr)
SiOxpres12(1800mTorr)
SiO2 tham khao

1.56

1.54

1.52

n

1.50

1.48

1.46

1.44

1.42
200

300

400

500

600


700

800

900

1000

wavelength (nm)

Hình 4-5:Chiết suất màng SiOx thay đổi theo điều kiện áp suất
buồng

Chiết suất

Chiết suất theo áp suất buồng
1.5

1.493

1.48
1.46

1.484

1.489
1.471

1.46


1.44
500

1000
1500
Áp suất buồng (mTorr)

2000

Hình 4-6: Chiết suất có xu hướng giảm khi áp suất buồng tăng

Tăng áp suất thì chiết suất giảm . Với áp suất tồn phần
càng lớn thì việc hình thành plasma khó khăn hơn do mật độ hạt
trong pha khí lớn [14], với sự chiếm ưu thế của tỉ lệ N2O so với
SiH4 và thời gian lưu trú của các gốc phản ứng trên màng lớn


17
hơn nên các liên kết Si-O sẽ chiếm ưu thế tương ứng với sự
giảm chiết suất [5]
4.2 Tối ưu hóa chống phản xạ
4.2.1 Tính tốn
Hệ số phản xạ tồn phần xét theo tồn bộ bước sóng tương
ứng với phổ bức xạ mặt trời chiếu tới cho chúng ta kết quả là tỉ
lệ số photon phản xạ lại trong một đơn vị diện tích theo đơn vị
1
2
thời gian ( photon.s .m ) tại bề dày màng xác định
1150 nm


R flux 



RS ( ) SI ( )
d
E ( )

280 nm
1150 nm



280 nm

SI ( )
d
E ( )

Với RS ( ) là hệ số phản xạ tính tốn của màng đa lớp (nhận
được từ file code 4: Check_transfermatrix_type2.m). Tử số ứng
với số photon phản xạ lại, mẫu số là số photon tới. Ta đi tìm giá
trị nhỏ nhất của hệ số này với các bề dày khác nhau với trường
hợp chiếu vng góc.
4.2.2 So sánh phương pháp
Tính tốn cơng thức và phổ (Hình 4-9) hệ số phản xạ R theo
phương pháp ma trận như đã đưa ra ở mục 3.2 với tài liệu
[9,10,21] là trùng khớp. Như vậy phương pháp phù hợp cho
tính tốn với màng đa lớp và kiểm chứng thực nghiệm.


Hình 4-9:Phổ hệ số phản xạ và phổ phản xạ màng SiN – PECVD


18
Phổ phản xạ R theo các bước sóng của mẫu thực nghiệm
màng đơn lớp gần khớp với tính tốn.

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

4.2.3 Tính tốn tối ưu
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 Code8: 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) với các hàm locchunglambda.m (code 6) và

hàm noisuy.m (code 7) giúp cho dữ liệu được mịn hơn
thuận lợi cho tính R tồn phần (mục 4.2.1)

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

Độ phản xạ R% màng đơn lớp SiOx thấp nhất là 15% cao
hơn độ phản xạ 9% trường hợp màng đơn lớp SiNx. Với phổ
năng lượng tới khác nhau R% cực tiểu khác nhau.


19


Chương 5

Màng hai lớp chống phản xạ cho pin mặt trời
5.1 Lựa chọn chiết suất và tính tốn tối ưu
Ta sử dụng hai vật liệu Silicon nitride tạo từ máy PECVD
plasmalab 80plus từ các nghiên cứu trước của nhóm, phủ lớp
chống phản xạ SiNx (Ty le 25:50, 1000mtorr, 300 C, 20W.) tại
phịng thí nghiệm LNT và mẫu SiO2pres12 (xem Bảng 3). Ta
phủ màng SiO2 trên cùng do chiết suất của vật liệu này thấp
hơn so với Silicon nitride.
5.1.1 Tính tốn 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.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 với các bề
dày khác nhau như Hình 5-2.

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)


20

Hình 5-4: Phổ phản xạ tính tốn ứng với Bề dày tối ưu là d_SiO:
84 nm, d_SiN: 64 nm. Tỉ lệ số photon phản xạ lại 6.95%


5.1.2 Số liệu thực nghiệm
Bảng 4: Báo cáo màng chống phản xạ hai lớp
Mẫu
2
layer_1
2
layer_2

SiNx (Times:
4min)

SiO2 (Times:
1min)

Bề dày (nm)

SiH4

NH3

SiH4

N2O

L1

L2

25


50

15

700

79.26

57.22

25

50

20

700

81.86

61.53

5.1.3 Đánh giá và so sánh
Phổ phản xạ R theo các bước sóng của mẫu thực nghiệm
màng hai lớp (Bảng 4: mẫu M1&M2) gần khớp với tính tốn.
cal2(SiN:79.26: SiO: 57.22)
M1(SiN:79.26-SiO:57.22)
cal(SiN:79.26: SiO: 57.22)

60


Reflection (%)

50

40

30

20

10

0
200

400

600

800

1000

1200

wavelenght (nm)
Hình 5-5: Phổ hệ số phản xạ R%
mẫu M1. Khi chú ý tới chiết suất
của c-Si là phức thì đường tính tốn có khác đi. R% = 8.23



21
cal2(SiN:81.86: SiO: 61.53)
M2(SiN:81.86-SiO:61.53)
cal(SiN:81.86: SiO: 61.53)

60

50

Reflection (%)

40

30

20

10

0
200

400

600

800


1000

1200

wavelenght (nm)

Hình 5-6: Phổ hệ số phản xạ R% mẫu M2. Khi chú ý tới chiết suất
của c-Si là phức thì đường tính tốn có khác đi. R% = 8.38

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

Để chọn đáy phổ R% tại bước sóng nào ta sử dụng dữ liệu
bề dày nhận được từ Hình 5-7. Giao diện Guide được tạo ra để
hỗ trợ khảo sát thực nghiệm tiếp theo với dữ liệu chiết suất
(thực hoặc phức) và phổ mật độ năng lượng nhập vào từ dạng
tập tin *.xls