Nhập môn Vật lý kỹ thuật
PIN MẶT TRỜI
Công nghệ và ứng dụng
PGS. TS. Nguyễn Hoàng Thoan
NCM. Quang học và Quang điện tử
Khoa Vật lý kỹ thuật - ĐHBKHN
1
Education
• 2004: Engineer, SEP-HUST
• 2006: Master, SEP-HUST
• 2009-2013: PhD at KU Leuven, Belgium
PhD thesis: Charge traps at interfaces of high-mobility
semiconductor channels with oxide insulators
Supervisors:
Prof. Andre Stesmans (KU Leuven –University of Leuven)
Prof. Valery Afanas’ev (KU Leuven –University of Leuven)
Dr. Truong Thi Ngoc Lien (HUST – Hanoi University of
Science and Technology)
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
2
Research activities
Topic 1: Electronic materials and devices based on high electron mobility semiconductors
and high-k dielectrics.
Nghiên cứu (mô phỏng) vật liệu, linh kiện điện tử dựa trên bán dẫn có độ linh động điện tử cao,
điện môi có hằng số điện môi cao
Topic 2: Lead-free Multi-phase Ferroelectric/Piezo/magnetic materials
Nghiên cứu vật liệu đa pha sắt điện/áp điện và sắt từ không chứa chì Pb.
Topic 3: Solar cells: materials to PV systems
Pin mặt trời: từ vật liệu tới hệ thống điện mặt trời.
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
3
Hướng nghiên cứu 1.
Nghiên cứu (mô phỏng) vật liệu, linh kiện điện tử dựa trên bán dẫn có độ linh động điện tử
cao, điện môi có hằng số điện môi cao
 For continued scaling, and better MOSFET
performance, drastic changes are needed:
 New designs for MOSFETs (MuFET,
FinFET, …).
 Novel materials:
Intel
 High mobility (high-µ) semiconductors
 High-dielectric constant (high-)
materials.
 New gate contact materials.
Moore’s law: the number of
transistors in a dense integrated
circuit (IC) doubles about every two
years
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
4
Copyright © Intel Corporation.
Mở rộng định luật Moore: vật liệu bán dẫn độ linh
động hạt tải cao (High )
e
(cm2/V.s)
h
(cm2/V.s)
Eg
(eV)
NC
(cm3)
NV
(cm3)
ni
(cm3)
k
(100)Si
1600
430
1.12
2.8 × 1019
1.04×1019
1.45×1010
11.8
(110)Si
~1250
900
1.12
2.8 × 1019
1.04×1019
1.45×1010
11.8
750
0.8
2.8 × 1019
8 × 1018
1.4 × 1013
14.9
Properties at 300 K
Material 
Si0.25Ge0.75
Ge
3900
1900
0.66
1.04×1019
6×1018
2.4×1013
16
GaAs
9200
400
1.42
4.7×1017
7×1018
1.8×106
13.1
GaSb
7700
1400
0.73
0.21×1018
18×1018
1.5×1012
15.7
InSb
77000
850
0.17
4.2×1016
7.3×1018
2×1016
17.7
InP
5000
200
1.35
5.7×1017
11×1018
1.3×107
13.9
InAs
40000
500
0.36
8.7×1016
6.6×1018
1×1015
14.8
In0.53Ga0.47As
7800
300
0.75
2.1×1017
7.7×1018
6.3×1011
12.4
 Tại sao chúng ta cần vật liệu BD có độ linh động hạt tải lớn?
 Độ dẫn tốt hơn, hoạt động hiệu quả:
 Tiêu thụ NL ít hơn
5
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
5
Mở rộng định luật Moore: vật liệu high-k
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
Copyright © Intel Corporation 2007.
6
Chất lượng phân biên
Chất lượng phân biên oxit/bán dẫn đóng
vai trò quan trọng quyết định phẩm chất
của linh kiện MOSFET.
+
+
(100)Si P
+
+
+
+
Fixed oxide charge, Qf
||
||
||
||
Pb1
b0
+
Oxide trapped charge, Qot
+
Pb
(111)Si
SiO2
Mobile ionic charge, Qm
+
Pb
||
Pb0
+
||
||
SiOx
Interface trapped charge, Qit
(100)Si
Pb0
Pb0
Si
B. E. Deal, J. Electrochem. Soc. 127 979 (1980).
Pb1
(110)Si
E. H. Poindexter, Semicond. Sci. Technol. 4, 961 (1989)
A. Stesmans,
B. Nouwen, and V. V. Afanas’ev, Phys. Rev. B 58,
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP
HUST
15801 (1998)
7
Hướng nghiên cứu 1. Electronic materials and devices based on high electron mobility semiconductors an
high-k dielectrics.
Các hoạt động và kết quả chính
5 đề tài nghiên cứu:
1) Head of a University scientific project 2012: “Building an automatic system to measure of capacitancevoltage (C-V), conductivity-voltage (G-V) characteristics of semiconductor devices. Nghiên cứu xây
dựng hệ tự động đo đặc trưng điện dung - điện áp (C-V), độ dẫn - điện áp (G-V) của linh kiện bán dẫn”,
code T2012-165,
2) Head of a NAFOSTED project entitled “Interface states of oxide/semiconductor in high-/GaN(AlGaN)
structure for high frequency, high power electronic devices. Nghiên cứu trạng thái bề mặt ô-xit/bán dẫn
trong cấu trúc high-/GaN(AlGaN) ứng dụng cho linh kiện điện tử tần số và công suất cao”, code 103.022015.31
3)
Key member/secretary of a MoET project “Modulation/simulation and fabrication of High-electronmobility transistor (HEMT) based on GaN material. Nghiên cứu thiết kế-mô hình hóa/mô phỏng và chế
tạo transistor có độ linh động điện tử cao trên nền vật liệu GaN.” code B2018-BKA-57.
4)
Key member of a FIRST project “Develop fabrication processes of High Electron Mobility Transistor
(HEMT) for high frequency, high power electronic application// Phát triển quy trình công nghệ chế tạo
transistor có độ linh động điện tử cao, ứng dụng cho các thiết bị điện tử công suất và tần số cao (HEMT)”
grand number 01/FIRST/1.a/HUST.
5)
Head of a University scientific project 2020: Study on simulation of MOS-HEMT transistor based on
AlGaN semiconductor and HfO2 dielectric layers // Nghiên cứu mô phỏng transistor MOS-HEMT trên cơ
sở bán dẫn AlGaN và lớp điện môi HfO2” code T2020-PC-058.
Kết quả: >20 công trình khoa học (bài báo), 1 PhD.
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
8
Hướng nghiên cứu 2. Vật liệu đa pha sắt điện-từ không chứa chì
Topic 2. Lead-free Multi-phase Ferroelectric/Piezo/magnetic materials
Piezoelectric effect
Direct Piezoelectric Effect
Mechanical Energy
Converse Piezoelectric Effect
Electrical Energy
The most well knownNguyễn
andHoàng
populated
piezoelectric material is
Thoan -FEP HUST
Lead zirconate titanate PbZrxTi1−xO3 (0≤x≤1) PZT
9
Hướng nghiên cứu 2. Vật liệu đa pha sắt điện-từ không chứa chì
Topic 2. Lead-free Multi-phase Ferroelectric/Piezo/magnetic materials
Ứng dụng
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
10
Hướng nghiên cứu 2. Vật liệu đa pha sắt điện-từ không chứa chì
Topic 2. Lead-free Multi-phase Ferroelectric/Piezo/magnetic materials
Vấn đề hiện nay
Vật liệu gốm nền chì
PbZrxTi1−xO3 (0≤x≤1) PZT
Thị trường cảm biến áp điện trên toàn cầu: (a) ứng dụng (b) vật liệu*.
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
* Wook Jo, Robert Dittmer, Matias Acosta, Jiadong Zang, Claudia Groh, Eva Sapper, Ke Wang, Jürgen Rödel, J Electroceram (2012) 29: 71
11
Hướng nghiên cứu 2. Vật liệu đa pha sắt điện-từ không chứa chì
Topic 2. Lead-free Multi-phase Ferroelectric/Piezo/magnetic materials
Lead zirconate titanate
PbZrxTi1−xO3 (0≤x≤1) PZT
Pb
82
RoHS - Restriction of Hazardous
Substances using in electrical and
electronic equipment in 2002 *
Evolution of lead-free piezoelectric
research output in terms of publications. **
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
12
* Wook Jo, Robert Dittmer, Matias Acosta, Jiadong Zang, Claudia Groh, Eva
Sapper,
** Rödel, J., & Li, J. (2018). Lead-free piezoceramics: Status and perspectives. MRS
Ke Wang, Jürgen Rödel, J Electroceram (2012) 29: 71
Bulletin, 43(8), 576-580. doi:10.1557/mrs.2018.181
Topic 2. Lead-free Multi-phase Ferroelectric/Piezo/magnetic materials
Main activities and results
Main activities: 2 projects
1) Key member of a National Project “Development of an active SONAR navigation
system using ceramic materials and hydroacoustic devices // Phát triển hệ định vị
SONAR chủ động sử dụng vật liệu gốm và thiết bị thủy âm”, under grant number:
ĐTĐL.CN-29/18
2) Head of a MoET scientific project “Effect of some impurities AZrO3 and ATiO3
(A=Fe, Co, Ni, Mn) as solid solution on ferroelectric and ferromagnetic properties
of Ba(Zr,Ti)O3-based lead-free ferroelectric materials direction for the storage of
electromagnetic energy // Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tạp AZrO3 và ATiO3
(A=Fe, Co, Ni, Mn) dạng dung dịch rắn đến tính chất sắt điện và sắt từ của vật liệu sắt
điện không chì nền Ba(Zr,Ti)O3 định hướng cho việc tích trữ năng lượng điện-từ” grant
number B2022-BKA-12
Results: >30 publications, listed numbers.
02 Master students 2020, 2021
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
13
Hướng nghiên cứu 3. Pin mặt trời
Topic 3. Solar cells
NỘI DUNG
1) Giới thiệu năng lượng và phát triển
2) Các thế hệ PMT
3) Công nghệ chế tạo PMT Si
4) Các thế hệ PMT khác
4) Ứng dụng PMT
5) Kết luận
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
14
1. Giới thiệu
1.1. Năng lượng và phát triển
Nhu cầu năng lượng
Một người trưởng thành trẻ
2500 kcal/ngày
1055 kWh/năm
0,12 kW
Trái đất, 6 tỷ dân
1201012 kWh/năm
1,4 1010 kW
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
9.500kWh/(người.năm)
2,30 kW/người
15
Các nguồn năng lượng
NL hóa thạch (xăng, dầu thô, khí đốt, than đá)
Thủy điện
Điện gió
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
Điện mặt trời
16
Tại sao cần Điện mặt trời
Nguồn nhiên liệu hóa thạch
Hai vấn đề chính toàn cầu:
- Nguồn NL hóa thạch đang
dần cạn kiệt
- Tác động nhiều tới môi
trường, và gây biến đổi khí
hậu.
Giải pháp
- Nâng cao hiệu quả sử dụng
nguồn NL.
- Tìm kiếm và sử dụng các
nguồn NL tái tạo.
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
Lũ lụt ở Nghệ An, 10/2022
Nguồn: vov.vn
17
Sản lượng CUNG và CẦU năng lượng
(dạng dầu thô) trên thế giới
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
18
Tiềm năng phát triển điện mặt trời tại Việt Nam
• Việt Nam sở hữu diện tích nhà máy công nghiệp rộng
lớn, lên đến 98.000 hecta
• Mạng lưới điện quốc gia không đáp ứng được nhu cầu
điện tăng cao tại các khu công nghiệp ở miền Nam - nơi
có giờ nắng tốt nhất
• Xu hướng phát triển nhà máy tại Việt Nam tiếp tục tăng:
nhiều nhà máy chuyển dần từ Trung Quốc sang Việt
Nam
• Nhu cầu điện trong nước lên đến 6.000 MW điện mới
mỗi năm
• Chính phủ Việt Nam ủng hộ phát triển các dự án năng
lượng mặt trời thông qua áp dụng mức thuế ưu đãi cho
các dự án năng lượng mặt trời
8
Khung pháp lý: Các chính sách và quy định kết nối lưới hiện có
Với mục tiêu đến năm 2030 đạt được 12GW điện mặt trời, chính phủ Việt Nam đã ban hành các chính
sách nhằm khai thác tiềm năng năng lượng mặt trời:
 Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg ngày 11/4/2017
 Quyết định số 02/2019/QĐ-TTg Ngày 08/01/2019 sửa đổi, bổ sung Quyết định 11/2017/QĐ-TTg.
 Quyết định số 13/2020/QĐ-TOT ngày 6 tháng 4 năm 2020 về cơ chế khuyến khích phát triển năng
lượng mặt trời tại Việt Nam.
Đơn vị
Chính sách, quy định hiện
hành
Bộ công
thương
39/2015/TT-BCT ngày
18/11/2015 (Thông tư
39/2015)
Bộ công
thương
16/2017/TT-BCT ngày
Hướng dẫn quyết định 11/2017 và mô hình
12/9/2017 (Thông tư 16/2017) PPA cho năng lượng mặt trời trên mái nhà
EVN
5113/EVN-KD ngày
9/10/2018 (Văn bản
5113/EVN)
Nội dung
Chi tiết kỹ thuật để kết nối với hệ thống
phân phối
Hướng dẫn kết nối điện trên mái nhà
9
1.2. Đơn vị năng lượng và công suất
Đơn vị NL:
J  kJ  kWh
Đơn vị
Tương đương
kg coal equ.
kWh
1 kg oil
1.4
12
1 m3 gas
1,1
9
1 ton coal equ.
1000
8200
1 barrel oil
195
1670
1 kWh

NL trong 1 thỏi socola 100g
Đơn vị công suất:
J/s = W  kW  kWh/năm
kWh/năm = kWh/a
(“a”: year, annual)
1 ton coal equ./a = 8200 kWh/a = 0,94 kW
Các đơn vị đo khác liên quan
Dầu thô, crude oil
1 Fluid barrel = 119.2 liters
1 US oil barrel (bbl) = 158.99 liters (l) = 42 US gallons (gal)
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
21
1.3. Một số vấn đề sử dụng NL
a. Trữ lượng NL truyền thống: có hạn, đang dần cạn kiện
b. Tổn thất và lãng phí
Theo EVN, năm 2005 điện sản xuất là 53,32 GWh mà điện thương phẩm
chỉ có 44,9 GWh, nghĩa là tổn thất có thể đến 15,8%, trong khi ở nhiều nước
trên thế giới mức tổn thất chỉ vào khoảng 7-9%.
c. Hiệu quả sử dụng điện năng thấp
d. Ô nhiễm môi trường
Chưa có một công trình nghiên cứu nào đánh giá đầy đủ ô nhiễm môi
trường trên cả nước do đốt nhiên liệu (khoảng 11 triệu tấn dầu, 12 triệu tấn
than và một khối lượng lớn nhiên liệu phi thương mại). Tuy nhiên, ô nhiễm
môi trường đã đến mức tới hạn, mà chủ yếu là do sử dụng nhiên liệu. Hàm
lượng các khí SO2, NO2, CO, O3 và đặc biệt là bụi khí PM10, PM2,5 ở các
thành phố lớn đều đã ngấp nghé, thậm chí vượt xa tiêu chuẩn quốc tế. Xe cộ
là nguồn phát thải chính ở các thành phố
e. Hiệu ứng nhà kính:
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
22
e. Hiệu ứng nhà kính
• Tiêu thụ 1 tấn C (Than – coal)
 3,7 tấn CO2
• Tiệu thụ 1 tấn CH4 (nhiên liệu khí)
 2,75 tấn CO2
• Lượng CO2 trong khí quyển ~ 0,03% ( 2,3.1012 tấn CO2)
• Thế giới tiêu tụ NL  1010 tấn than/năm
 thải ra: 2,2.1010 tấn CO2/năm
+ ½: tan trong nước
+ ½: trong khí quyển => góp phần gây HƯNK.
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
23
e. Hiệu ứng nhà kính (tiếp)
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
24
e. Hiệu ứng nhà kính (tiếp)
Trái đất:
• Nếu:
Eb.xạ=Ehấp thụ => T(trái đất) = const
• Công suất bức xạ từ mặt trời: tại vị trí trái đất
• Jsun=1,3 kW/m2
• Công suất NL mà trái đất nhận từ MT
•
ấ .
RE=6.370 km
ụ
• Công suất bức xạ nhiệt từ trái đất (đ.l Stefan Boltzman)
=5,67.10-8 W/m2K4
Mật độ:
Công suất:
. ạ
• Nếu cân bằng:
=> T = 275 K.
• Nếu tính 30% NL mặt trời bị phản xạ:
=> T = 258 K.
• Thực tế: nhiệt độ TĐ cao hơn nhiều do NL bị hấp thụ một phần bởi TĐ.
(giống hiệu ứng nhà kính)
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
25
e. Hiệu ứng nhà kính (tiếp)
Giải thích:
- Bức xạ mặt trời (Ts ~6000 K) có max ~ 0,5 m, hầu như trong suốt với khí
quyển.
- B.xạ từ trái đất: (TE~290K) có max ~ 10 m, vùng hồng ngoại.
- Các phân tử đa nguyên tử (như CO2 50%, hơi nước, Hydrocacbon,
NO2,…) hấp thụ mạnh vùng hồng ngoại.
NL bức xạ từ trái đất chỉ thoát ra khỏi bầu khí quyển một phần, còn
lại trở về trái đất => trái đất được sưởi ấm.
Hiện nay, nhiệt độ TĐ đang cân bằng, khi nồng độ CO2 tăng cao,
T(TĐ) tăng lên.
• Từ khoảng 100 năm nay con người tác động mạnh vào sự cân bằng
nhạy cảm này giữa hiệu ứng nhà kính tự nhiên và tia bức xạ của mặt
trời. Sự thay đổi nồng độ của các khí nhà kính trong vòng 100 năm
lại đây (CO2 tăng 20%, mêtan tăng 90%) đã làm tăng nhiệt độ thêm
2 C.
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
26
2. Các thế hệ PMT
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
27
3. Quy trình chế tạo PMT Si tinh thể và đa tinh thể
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
28
3. Quy trình chế tạo
a) Từ cát tới si-lic (From sand to silicon): feedstock
Reaction:
SiO2 + 2C → Si + 2CO.
We obtain metallurgical
silicon (Metallurgical
Grade: MG-SI ~ 98%.)
Production of metallurgical silicon.
~ 99,999%. 5
Si + 3HCl → SiHCl3 + Si + H2
nines, or 5N)
Nguyễn
Hoàng Thoan
-FEP HUST
Processing to highly purified polysilicon
(Solar
Grade):
silane process
29
3.1.2. Quy trình chế tạo
(2) Mọc Si đa/đơn tinh thể
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
30
Thăm quan nhà máy công ty Jinko Solar
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
31
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
32
3.1.2. Quy trình chế tạo
(2) Mọc Si đa/đơn tinh thể: tạo khối đơn tinh thể
Mono-crystalline Si ingot growth (CZ furnance)
Jan Czochralski (cho-HRAL-skee) (1885 1953) was a Polish chemist who invented the
Czochralski process, which is used to grow
single crystals and is used in the production of
semiconductor wafers. He discovered the
Czochralski method in 1916 when he
accidentally dipped his pen into a crucible of
molten tin rather than his inkwell.
He immediately pulled his pen out to discover
that a thin thread of solidified metal was
hanging from the nib. The nib was replaced by
a capillary, and Czochralski verified that the
crystallized metal was a single crystal.
http://en.wikipedia.org/wiki/Jan_Czochralski
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
33
3.1.2. Quy trình chế tạo
(2) Mọc Si đa/đơn tinh thể: tạo khối đơn tinh thể
Mono-crystalline Si ingot growth (CZ furnance)
Production of monocrystalline silicon rods by means of the Czochralski process.
Photo source: PVA Crystal Growing Systems GmbH
Mầm đơn tinh Si: gắn vào sợi dây kim loại, tiếp xúc với chất lỏng, và
kéo dần đều lên.
Thanh đơn tinh thể (Single crystal ROD):
Dài (Length): ~ 2-5m.
Đường kính (for PV): D=5–6 in (12.5–15 cm); hoặc 18-20 cm
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
34
(3) Chế tạo phiến (tiếp)
Từ khối lớn (ingot) => phiến Mono-Si: cắt, mài
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
35
(4) Chế tạo cell pin mặt trời
Cell processing
Batch processing:
 Wafers in carriers
 Each process step well controlled
 Used for high efficiency processing
Process steps for producing standard cells.
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
36
(5) Cells to module: hoàn thiện module PMT
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
37
4. ỨNG DỤNG của PMT
Solar powered portable devices
Solar powered accent lights
Stand-alone
communication system
Stand-alone (and remote) structure
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
38
5. Kết luận
Đề tài, dự án PMT tại khoa VLKT
• TT năng lượng mới: thầy Đặng Đình Thống, thầy Nguyễn Quốc Giám, …
Từ năm ~2006
• GS Võ Thạch Sơn: PMT màng mỏng CIS, CISe,… (3 NCS bảo vệ thành
công LATS): đề tài KC.
• PGS.TS. Dương Ngọc Huyền, Nghiên cứu xây dựng phương pháp và quy
trình kiểm tra đánh giá thông số quang điện theo thời gian thực của hệ
thống điện mặt trời, PVpower tài trợ, 2021-2023.
• PGS. TS. Dương Ngọc Huyền, Nghiên cứu tính chất phân biên của các
chuyển tiếp dị chất nanô ứng dụng trong pin mặt trời, đề tài NAFOSTED
2014.
• Thầy PGS. TS. Nguyễn Ngọc Trung, Thầy Mai Hữu Thuấn, thầy Ngụy
Phan Tín
• Cô PGS. TS. Nguyễn Hoàng Thoan
Nguyễn Hoàng Thoan -FEP HUST
39