Luận văn Nghiên cứu chế tạo màng CuInS₂

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu chế tạo màng CuInS₂

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------------- HOÀNG ĐÌNH VIỆT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG CuInS2 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -----Φ----- HOÀNG ĐÌNH VIỆT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG CuInS2 Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. PHẠM VĂN NHO Hà Nội - 2014
3. LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành biết ơn sâu sắc thầy giáo PGS.TS Phạm Văn Nho. Thầy đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận văn và làm thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng. Tôi xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã luôn tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập tại trường cũng như trong quá trình hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô, anh chị và các bạn trong Viện Khoa học và Công nghệ, Trung tâm Khoa học Vật liệu, bộ môn Vật lý Chất rắn, bộ môn Nhiệt độ thấp đã nhiệt tình giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình đo đạc mẫu. Và tôi muốn gửi lời chi ân tới gia đình, bạn bè đã quan tâm, quý mến, cho tôi thêm niềm tin và là nguồn động lực trong quá trình học tập và nghiên cứu của tôi. Tôi xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Học viên Hoàng Đình Việt
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VẬT LIỆU CuInS2........................3 1.1. Tính chất vật liệu CuInS2..................................................................................3 1.1.1. Cấu trúc tinh thể.........................................................................................3 1.1.2. Tính chất vật lý ..........................................................................................6 1.2. Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng CuInS2 trên thế giới.....................10 1.3. Một số phƣơng pháp chế tạo màng mỏng......................................................14 1.3.1. Phƣơng pháp bốc bay và ngƣng tụ trong chân không..........................14 1.3.2. Phƣơng pháp phún xạ catốt.....................................................................17 1.3.3. Phƣơng pháp Sol - Gel.............................................................................19 1.3.4. Phƣơng pháp điện hoá.............................................................................20 1.3.5. Phƣơng pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) .........................................21 1.3.6. Phƣơng pháp phun dung dịch trên đế nóng..........................................22 CHƢƠNG 2. THIẾT BỊ, HÓA CHẤT THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT.............................................................................................................24 2.1. Thiết bị tạo mẫu...............................................................................................24 2.1.1. Hệ nung và kiểm soát nhiệt độ................................................................24 2.1.2. Hệ thống điện tử điều khiển phun..........................................................28 2.2. Hóa chất và thiết bị đo....................................................................................30 2.3. Phƣơng pháp khảo sát tính chất....................................................................31 2.3.1. Khảo sát cấu trúc.....................................................................................31 2.3.2. Khảo sát tính quang dẫn.........................................................................32
5. CHƢƠNG 3. CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MÀNG CuInS2 ...............................35 3.1. Chế tạo màng điện cực SnO2:F......................................................................35 3.1.1. Chế tạo màng SnO2 chƣa pha tạp..........................................................35 3.1.2. Chế tạo màng SnO2 pha tạp F................................................................37 3.2. Chế tạo màng CuS..........................................................................................39 3.3. Khảo sát màng CuS........................................................................................40 3.3.1. Khảo sát điện trở.....................................................................................40 3.3.2. Khảo sát XRD..........................................................................................41 3.3.3. Ảnh SEM..................................................................................................43 3.3.4. Đặc trƣng I-V...........................................................................................43 3.4. Chế tạo màng CuInS2.....................................................................................44 3.5. Khảo sát màng CuInS2...................................................................................44 3.5.1. Khảo sát XRD..........................................................................................44 3.5.2. Ảnh SEM..................................................................................................46 3.5.3. Phổ hấp thụ và độ rộng vùng cấm.........................................................47 3.5.4. Khảo sát tính chất quang điện...............................................................50 KẾT LUẬN............................................................................................................58 TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................60
6. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Tóm tắt cấu trúc tinh thể, nhóm không gian, mạng Bravais và hằng số mạng của CuInS2 trong pha Zincblende, Chalcopyrit và Cu-Au so sánh với kim cương Si và zincblende ZnS........................................................................................6 Bảng 1.2: Danh sách các hằng số mạng a và c, tham số biến dạng tứ giác η = c/2a, tham số chuyển dời anion u và vùng cấm thấp nhất tính được ở nhiệt độ phòng của các hợp chất Cu-III-VI2 điển hình...............................................................................7 Bảng 3.1: Bảng tỉ lệ chế tạo và thành phần % các chất của màng CuInS2...............44 Bảng 3.2: Bảng kết quả khảo sát điện trở tối Rt, điện trở sáng Rs theo tỉ lệ thành phần các chất và nhiệt độ chế tạo màng CuInS2.......................................................51 Bảng 3.3: Bảng kết quả khảo sát độ nhạy quang K theo tỉ lệ thành phần các chất và nhiệt độ chế tạo màng CuInS2...................................................................................54 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ mô tả cấu trúc chalcopyrit xuất phát từ cấu trúc kim cương theo quy tắc Grimm-Sommerfeld.......................................................................................3 Hình 1.2: Cấu trúc kim cương của Si (a), zincblende ZnS (b), chalcopyrit CuInS2 (c) và Cu-Au (d) .........................................................................................................4 Hình 1.3: Giản đồ cấu trúc vùng cấm của CuInS2 với ký hiệu của sự đóng góp của các trạng thái nguyên tử tương ứng với mức năng lượng...........................................8 Hình 1.4: Sơ đồ pha ba nguyên tố của CuInS2 ..........................................................9 Hình 1.5: Cấu trúc pin mặt trời nano 3D trên cơ sở CuInS2 chế tạo bằng phương pháp ALE và AL-CVD.............................................................................................12 Hình 1.6: Cấu trúc pin mặt trời nano 3D trên cơ sở CuInS2 chế tạo bằng phương pháp phun nhiệt phân................................................................................................12 Hình 1.7: Cấu trúc pin mặt trời ZnO/CdS/CIS.........................................................13
7. Hình 1.8: Cấu trúc pin mặt trời ITO/CdS/CIS.........................................................13 Hình 1.9: Module pin mặt trời từ CuInS2 sản xuất tại viện Hahn-Meitner, Đức ....14 Hình 1.10: Các loại nguồn bốc bay .........................................................................15 Hình 1.11: Sơ đồ phương pháp bay hơi bằng chùm điện tử....................................16 Hình 1.12: Sơ đồ phương pháp bay hơi bằng chùm laser........................................17 Hình 1.13: Sơ đồ phương pháp phún xạ một chiều DC...........................................18 Hình 1.14: Sơ đồ phương pháp phún xạ RF.............................................................19 Hình 1.15: Giản đồ hệ CVD tăng cường plasma.....................................................22 Hình 2.1: Sơ đồ hệ tạo mẫu, hệ phun tĩnh................................................................24 Hình 2.2: Đèn Halogel 1000W.................................................................................25 Hình 2.3: Sơ đồ khối của bộ điều khiển và khống chế nhiệt độ...............................25 Hình 2.4: Bộ khống chế nhiệt độ.............................................................................26 Hình 2.5: Sơ đồ bố trí thiết bị nguyên lý hoạt động của hệ phun bụi 28 Hình 2.6: a) Sơ đồ mạch điều khiển khoảng thời đóng mở van khí; b) Sơ đồ mạch điều khiển khóa van khí............................................................................................29 Hình 2.7: Phản xạ Bragg từ các mặt phẳng mạng song song...................................31 Hình 2.8: Mô hình vùng năng lượng của vật liệu bán dẫn pha tạp..........................33 Hình 2.9: Phổ đèn sợi đốt Halogen đo từ PTN công ty Rạng Đông........................34 Hình 3.1: Sơ đồ chế tạo màng theo kiểu quang trở..................................................35 Hình 3.2: Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ chế tạo của màng SnO2..............36 Hình 3.3: Sơ đồ máy phun nhiệt phân dung dịch.....................................................37 Hình 3.4: Điện trở màng CuS theo nhiệt độ chế tạo và tỉ lệ (NH2)2CS / CuCl2.2H2O (1): Tỉ lệ 3 :1, (2:) Tỉ lệ 4:1, ( 3): Tỉ lệ 5 :1...............................................................40
8. Hình 3.5: Hình ảnh các màng CuS...........................................................................41 Hình 3.6: Phổ nhiễu xạ XRD của màng CuS chế tạo ở nhiệt độ 160oC...................41 Hình 3.7: Phổ nhiễu xạ XRD của màng CuS chế tạo ở nhiệt độ 190oC...................42 Hình 3.8: Phổ nhiễu xạ XRD của màng CuS chế tạo ở nhiệt độ 220oC...................42 Hình 3.9: Ảnh SEM màng CuS chế tạo ở nhiệt độ 220oC.......................................43 o Hinh 3.10: Tiếp xúc SnO2:F với CuS chế tạo ở 190 C với tỷ lệ là 4 : 1..................43 Hình 3.11: Hình ảnh các màng CuInS2....................................................................45 Hình 3.12: XRD của màng CuInS2 với tỉ lệ (Cu:In):S = (1:1): 5 chế tạo ở nhiệt độ 320oC.........................................................................................................................45 Hình 3.13: XRD của màng CuInS2 với tỉ lệ (Cu:In):S = (2:1): 7 chế tạo ở nhiệt độ 320oC.........................................................................................................................46 o Hình 3.14: Ảnh SEM màng CuInS2 với tỉ lệ (Cu:In):S= (1:1):5 chế tạo ở 320 C...46 Hình 3.15: Phổ hấp thụ màng CuInS2 với tỉ lệ (Cu:In):S=(2:1):5 chế tạo ở nhiệt độ 320oC.........................................................................................................................47 Hình 3.16: Phổ hấp thụ màng CuInS2 với tỉ lệ (Cu:In):S=(1:1):5 chế tạo ở nhiệt độ 320oC.........................................................................................................................47 Hình 3.17: Phổ hấp thụ màng CuInS2 theo nhiệt độ chế tạo (a) và tỉ lệ Cu/In (b) của nhóm nghiên cứu Trần Thanh Thái Đại học Bách Khoa Hà Nội..............................48 2 Hình 3.18: Sự phụ thuộc của (αhν) vào năng lượng photon hν của màng CuInS2 với tỉ lệ (Cu:In):S=(2:1):5 chế tạo ở nhiệt độ 320oC.................................................49 2 Hình 3.19: Sự phụ thuộc của (αhν) vào năng lượng photon hν của màng CuInS2 với tỉ lệ (Cu:In):S=(1:1):5 chế tạo ở nhiệt độ 320oC................................................ 49 2 Hình 3.20: Sự phụ thuộc của (αhν) vào năng lượng photon hν của màng CuInS2 theo nhiệt độ chế tạo (a) và tỉ lệ Cu/In (b) của nhóm nghiên cứu Trần Thanh Thái Đại học Bách Khoa Hà Nội.......................................................................................50
9. Hình 3.21: Đặc trưng I-V của tiếp xúc màng CuInS2 với SnO2:F chế tạo ở nhiệt độ 320oC với tỉ lệ (Cu:In):S= (2:1):5.............................................................................50 Hình 3.22: Sơ đồ đo điện trở màng CuInS2.............................................................51 Hình 3.23: Đồ thị điện trở Rt của màng CIS với tỉ lệ Cu:In = 2:1 theo nhiệt độ chế tạo với các tỉ lệ thành phần khác nhau......................................................................52 Hình 3.24: Đồ thị điện trở Rs của màng CIS với tỉ lệ Cu:In = 2:1 theo nhiệt độ chế tạo với các tỉ lệ thành phần khác nhau......................................................................52 Hình 3.25: Đồ thị điện trở Rt của màng CIS với tỉ lệ Cu:In = 1:1 theo nhiệt độ chế tạo với các tỉ lệ thành phần khác nhau......................................................................53 Hình 3.26: Đồ thị điện trở Rs của màng CIS với tỉ lệ Cu:In = 1:1 theo nhiệt độ chế tạo với các tỉ lệ thành phần khác nhau......................................................................53 Hình 3.27: Đồ thị độ nhạy quang của màng CIS với tỉ lệ Cu : In =2 : 1 theo nhiệt độ chế tạo với các tỉ lệ thành phần khác nhau................................................................55 Hình 3.28: Đồ thị độ nhạy quang của màng CIS với tỉ lệ Cu : In =1 : 1 theo nhiệt độ chế tạo với các tỉ lệ thành phần khác nhau................................................................55
10. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU CIS CuInS2 CVD Lắng đọng pha hơi hóa học ( Chemical vapor deposition ) Eg Độ rộng vùng cấm I-V Đặc trưng Volt-Ampe Rs Điện trở sáng Rt Điện trở tối SEM Hiển vi điện tử quét XRD Nhiễu xạ tia