Tiến trình nghiên cứu và ứng dụng hiện tượng quang điện

Ấn phẩm đặc biệt TIẾN TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN Prog. Photovolt: Res. Appl. 2004; 12:69–92 (DOI: 10.1002/pip.541) Pin mặt trời kiểu màng mỏng Tổng quan K. L. Chopra1, P. D. Paulson2*,y and V. Dutta1 ,1) Phòng thí nghiệm quang đien,Trung tâm nghiên cứu năng lượng, Học viện cộng nghệ DeIhi Ấn Độ, Hauz Khas, New Delhi-110 016, Ấn Độ. 2) Viện chuyển hóa năng lượng , Newark, Delaware 19716, Hoa Kì Pin mặt trời dạng màng mỏng là một cách tiếp cận với các hiện tượng quang điện trên trái đất và trong không gian đầy triển vọng, mang đến sự rộng mở nhiều phương án khác nhau liên qua tới vấn đề thiết kế các thiết bị và sản xuất chúng..Các chất nền khác nhau ( dẻo hay cứng,kim loại hay chất cách điện ) có thể dùng tao thành các lớp lắng tụ khác nhau (lớp tiếp xúc, lớp đệm,lớp hấp thụ,lớp phản xạ,…) bằng các kĩ thuật khác nhau (PVD,CVD,ECD , dựa vào plasma, tích hợp,…). Tính đa năng này cho phép biến đổi và thiết kế các lớp để cải thiện hiệu suất của thiết bị. Với những tấm pin diện tích lớn được đòi hỏi phải có những ứng dụng thực tế , việc chế tạo thiết bị kiểu màng mỏng trở nên phức tạp và đỏi hỏi sự điều khiển chính xác trong toàn bộ dây chuyền sản xuất.Sự hiểu biết đúng đắn về các quy trình lắng đọng thành màng mỏng có thể giúp ta có được những tấm pin có hiệu quả trên toàn bộ diện tích của chúng.như đã được chứng minh bằng tính thương mại so với những loại pin khác. Nghiên cứu và phát triển các vật liệu và thiết bị mới,lạ,đơn giản , và những quy trình sản xuất sang tạo nhưng dơn giản phải được theo đuổi với thái độ tập trung,chú trọng . Loại pin nào và kĩ thuật nào cuối cùng sẽ thành công về tính thương mại còn là phỏng đoán của mọi người,nhưng nó chắc chắn sẽ được xác định bởi tính đơn giản về khả năng chế tạo, và giá thành cho mỗi oát điện mà pin đó tạo ra. Bản quyền thuộc về : công ty trách nhiệm hữu hạn của John Wilney và các con trai ,2004. Giới thiệu Kỷ nguyên hiện đại công nghệ các thiết bị điện quang đã đạt mốc 50 năm vào năm 2003. Kể từ khi sự kiện tìm ra pin quang điện (PV= quang điện) dùng một lớp chuyển tiếp p-n silic được công bố năm 1954 ,khoa học và công nghệ về các thiết bị điện quang (pin mặt trời) và các hệ thống quang điện đã trải qua những tiến triển mang tính cách mạng.Ngày nay,pin mặt trời dùng đơn tinh thể silic đã đạt tới hiệu suất 24,7 % , so với giá trị cực đại lý thuyết là 30% . Các sản phẩm pin cỡ lớn năm 2002 trên toàn thế giới cung cấp lượng điện trên 500 MWp, bao gồm~ 40% từ pin đơn từ pin đơn tinh thể SIlic, ~51% từ pin đa tinh thể si và khoảng 8% dựa vào pin mặt trời dùng silic vô định hình . Tổng dồn lại,trên toàn thế giới có khoảng 2GW năng lượng pin mặt trời sử dụng vào những ứng dụng khác nhau, sắp xếp từ một vài MW điện rêing lẻ Hay thuộc một mạng điện, cho tới vài MW từ các thiết bị điện công suất thấp.Một số lượng lớn các nước đang phat triển và phát triển bị cuốn hút làm sao tạo ra và khuyến khích nghành công nghiệp PV. Đăc trưng mang tính sống còn của con người là vấn đề về năng lượng,đó là một sự thật có những minh chứng vô cùng xác đáng. Trớ trêu thay,những nước nghèo hay những nước đnag phát triển may mắn có được nguồn nâng lượng mặt trời dồi dào lại có những nguồn năng lượng thông thường khác rất hạn chế,đặc biệt là ở những vùng xa xôi hẻo lánh,họ đang phải tăng cường chuyển hướng sang nguồn năng lượng quang điện để nâng cao chỉ số phát triển của mình. Trên khắp thế giới,ngành công nghiệp quang điện non trẻ hiện nay là một ngành công nghiệp tiền tỉ , ta không chút nghi ngại rằng nó được tăng trưởng nhanh lien quan tới vấn đề kinh tế trên đấu trường quốc tế.Tuy nhiên, mức tăng trưởng của nó bị hạn chế mạnh bởi giá cả sau cùng của năng lượng PV.Mặc cho các sản phẩm pin mặt trời dựa vào Silic tiến bộ cực nhanh,và giá của chúng cũng giảm mạnh , giá của các sản phẩm tử ~ $4·2/Wp vào năm 1992 xuống chỉ còn $1·7/Wp vào năm 2002, thì áp dụng rỗng rãi vào các hộ gia đình vẫn chưa cho thấy lợi ích kinh tế .Nói riêng về kĩ thuật đơn tinh thể Silic chẳng hạn,một chỉ số quan trọng nhất xác định giá của sản phẩm là giá của một chiều dày …250–300 mm của vi mạch silic dung để sản xuất ra pin mặt trời. Nếu lớp vi mạch không mỏng hơn quá nhiều so với trên, và do đó lượng Silic giảm đi một chút, nó sẽ sử dụng được và quá trình sản xuất sẽ rẻ hơn , đơn giản hơn, tất nhiên bất kì sự giảm giá nào của pin silic đều lảm tăng lợi nhuận !! *Correspondence to: P. D. Paulson, Institute of Energy Conversion, Newark, Delaware 19716, USA. y E-mail: pdp@udel.edu Vấn đề giá cả quá cao của silic thì đã được nhận ra ngay từ ban đầu. Và người ta cũng nhận ra rằng pin mặt rời rẻ hơn được sản xuất chỉ khi những vật liệu rẻ hơn và nhạy ánh sang kích thích hơn được sử dụng và những kĩ thuật chi phí thấp được tận dụng tối đa. Pin mặt trời màng Cu2S mỏng kết hợp màng CdS. Dày đầu tiên làm ra dựa trên một kĩ thuật đơn giản lại rẻ có tên “quy trình Clevite”,trong đó cứ một vài độ dày mm CdS được gửi vào trong một kim loại hoặc được kim loại hóa lớp vỏ nhựa ,sau đó, một vết khắc axit trên màng CdS sẽ tạo ra bằng cách ngâm nó vào đồng clorit trong vài dây để topotaxi hóa chuyển mặt CdS thành mặt Cu2S. Pin mặt trời nhỏ gọn hiệu suất đạt 10 % đã từng được công bố và sản xuất thương mại hóa bởi một vài công ty tại mỹ và pháp.Tuy nhiên, sự tăng nhanh một cách ổn định của hiệu suất các pin dựa trên cơ sở hiểu biết tốt về kĩ thuật silic ,so với hiệu suất thấp hơn và sự ổn định không bền của pin Cu……. ,dẫn tới sự tàn lũi sớm của pin Cu…… . Dù vậy, cơ sở tổng hợp các nghiên cứu về pin Cu2s…….rất hữu ích cho sự phát triển sau này của pin mặt trời kiểu màng mỏng. Sự kiện tình cờ khám phá ra màng silic vô định hình bị kích thích bởi hidro(a-Si:H ) đã tạo ra rất nhiều phấn khích trong ngành công nghiệp PV. Dựa trên kết quả của một số lượng lớn các nghiên cứu về cơ bản và ứng dụng của rất nhiều nhà khoa học,các kĩ sư , một ngành công nghiệp PV ở mức độ mega oát ,dựa trên màng mỏng … a-Si:H …… đã từng phát triển rất nhanh ở một vài nước. Nhưng, sau một vài hoạt động phát triển và sản xuất trong một vài năm, … a-Si:H … đã thất bại khi đối mặt với sức mạnh của silicon kết tinh, phần lớn vì một chút lợi nhuận, hiệu suất lại thấp hơn,tính ổn định tương đối kém hơn so với pin tinh thể silic. Số lượng những vật liệu có khả năng và khả dĩ làm được màng mỏng/dày của pin mặt trời thực sự rất phong phú. Một số ứng viên sang giá nhất là dựa trên … a-Si:H, CdTe và CuInSe2 ……….. là đối tượng mà chương trình nghiên cứu và phản triển R&D cùng những nghiên cứu về công nghệ kĩ thuật hướng tới trong suốt 30 năm qua.Mặc cho những nỗ lực của họ ,loại vật liệu nào cho pin và kĩ thuật sản xuất nào cuối cùng sẽ thành công trong môi trường cạnh tranh thương mại vẫn là suy đoán của mọi người . xem xét lại về phương diện vật lí,định hướng vật liệu, đặc tính các pin, công nghệ sản xuất và hiệu xuất của TFSC đã được xuất bản ,công bố gần đây. Thay vì tập trung vào những ấn phẩm trên, sự suy xét ở đây tìm ra những yếu điểm nổi bật của những thiết bị pin mặt trời kiểu màng mỏng và những công nghệ chế tạo nhằm tạo lên một sự phân tích mang tính so sánh. TÌNH TRẠNG HIỆN NAY CỦA CÁC KĨ THUẬT QUANG ĐIỆN KHÁC NHAU. Để cung cấp một cái nhìn kinh tế về công nghệ dòng quang điện, thật hữu dụng khi so sánh chi phí sản xuất với năng lượng nhận được .Hình 1 chỉ ra giá trị trung bình của chi phí sản xuất , giá trung bình cho mỗi oát điện đo bằng công suất của sản phẩm, giá trị pin màng mỏng so sánh với giá trị pin loại khác dựa vào số liễu sẵn có trong năm 2001. Đối với đồ thị về giá có một sự giảm nhanh và đều đặn và người ta mong đợi gía cả cạnh tranh của pin màng mỏng sẽ trở nên ngày càng có lợi. Chi phí sản xuất của pin màng mỏng đã được giảm thiểu xuống chỉ còn 64% so với giá trị 54% giá trị của loại pin khác Rõ rang ,công nghệ pin màng mỏng có lợi thế để sản suất những loại pin giá rẻ hơn ở quy mô lớn. Một vấn đề chuyên môn khác được đề cập vào việc so sánh các công nghệ PV khác nhau là thời gian hoàn vốn ,ám chỉ số năm để năng lượng sản sinh bởi các thiết bị bằng với lượng năng lượng yêu cầu đối với các thiết bị đó.Hình 2 chỉ ra sự so sánh giữa các loại pin khác nhau và các số liệu so sánh khác cũng được chỉ ra đối với những ứng dụng khác nhau. Hình ảnh này đã đưa ra hai ước lượng cho hai loại pin đa tinh thể để tránh sự không rõ ràng lien quan tới sự khác nhau giữa các ước lượng năng lượng tiêu hao. Ước lượng thấp dựa vào giá trị năng lượng cuối cùng trong quá trình tinh chế silic mà không để cập đến bước kết tinh tinh ban đầu.Trong khi đó ước lượng cao thừa nhận giá trị năng lượng cao cuối cùng của silic đã chứa cả năng lượng kết tinh ban đầu.Đối với mạng lưới điện kết nối trên nóc nhà hay các mảng trên các cánh đồng, công nghệ TFSC được đầu tư tốt hơn rất nhiều.Mặt khác,ước tính đa tinh thể dựa vào giá trị năng lượng thấp hơn được đầu tư rất tốt đối với hệ thống năng lượng mặt trời trong nhà vì sự giá của hệ thống có độ ổn định cao HÌNH 1..chi phí sản xuất và công suất dự kiến của sản phẩm đối với pin màng mỏng và pin loại khác dựa trên số liệu có sẵn của năm 2001. Figure 2. Energy payback time for different PV technologies: A multicrystalline Si 1997 low; B multicrystalline Si 1997 high; C thin-film 1997; D multicrystalline Si 2007; E thin-film 2007, for different applications. Other system components are also shown for comparison (data from Reference 13) Tại sao lại là vật liệu màng dầy/mỏng ? Để hiểu rõ giá trị của câu hỏi này,cần thiết phải hiểu màng mỏng là cái gì. Như phần đầu tiên của tài liệu trình bày ,một màng mỏng là một vật liệu được tạo ra bằng quá trình tạo mầm và phát triển ngẫu nhiên theo mỗi kiểu riêng biệt là : ngưng tụ/phản ứng nguyên tử/ion/ hay các kiểu phản ứng phân tử trên một chất nền.Các đặc tính lí hóa,cấu trúc,luyện kim của những vật liệu kiểu này phụ thuộc lớn vào số lượng các thành phần các tham số ngưng kết và có thể phụ thuộc cả vào độ dày của chúng. Màng mỏng có thể được bao quanh bởi một dãy độ dày khác nhau dáng kể,từ vài nm đến hang chục um , do đó tốt nhất chúng nên được xác định nhờ vào tập hợp các quy trình sinh ra chúng hơn là xác định thông qua chiều dày của chúng. Người ta có thể có được một vật liệu mỏng ( không phải màng mỏng ) bằng một số biện pháp (thường gọi là kĩ thuật màng mỏng ) như dát mỏng khối vật lieu,phủ các mảnh vi mô bên ngoài các đám vật liệu giống như quá trình in lụa,: hay bằng quá trình điện chuyển, phun bùn, bình xì plasma,phương pháp tài mòn,…. Một màng dầy có thể thực sự rất mỏng, được giới hạn bởi kích thước của các đám bao quanh nó,và đặc tính của nó có thể rất nhạy với những tham số lắng tụ. Vì tính đơn giản hơn,rẻ hơn và số lượng vật liệu có thể đưa vào cũng như tỉ lệ lắng đọng tương đối lớn hơn, nên kĩ thuật màng dày đáng để quan tâm khi xem xét các các kĩ thuật màng mỏng TFSC khả khi. Dựa vào thuyết nguyên tử, cấu tạo ngẫu nhiên trong hạt nhân và quá trình phát triển của chúng ban tặng những đặc tính mới lạ cho những vật liệu màng mỏng . Những đặc tính ấy có thể được kiểm soát và sao chép lại, cung cấp hang loạt các thong số lắng tụ được điểu khiển và kiểm soát từ trước .Những người hiểu về những vật liệu dạng màng mỏng mà khộng chút hồ nghi đáng tiếc lại thường kết luận rằng màng mỏng là một “ trạng thái thứ 5 của vật chất “ ( rắn ,lỏng,khí,plasma,và…màng mỏng !!) – trạng thái ấy đã được đặt tên từ rất sớm trong lịch sử phát triển của công nghệ màng mỏng để chỉ ra đặc tính dễ dàng thay đổi tính chất vật liệu màng mỏng... Những đặc đặc điểm được chỉ ra sau đây của quy trình màng mỏng rất đáng quan tâm đối với công nghệ pin mặt trời : 1. Hàng loạt các kĩ thuật dựa trên các đặc tính lý hóa, điện hóa, plasma và cả các kĩ thuật lai ghép đều áp dụng được ngay cho quá trình nghưng kết thành các màng mỏng trên cùng một vật liệu 2. Cấu trúc vi mô của các màng trên hầu hết các vật liệu có thể được thay đổi ,từ một vật liệu hoàn toàn vô định hình/tinh thể nano đến có trở nên định hướng cao hoặc mọc kiểu epitaxi, …phụ thuộc vào kĩ thuật ta dùng, các tham số lắng kết và chất nền. 3. sự phong phú về hình dạng, kích thước, diện tích và chất nền rất có giá trị . 4. Từ điều kiện hòa tan thoải mái và giản đồ pha trạng thái nghỉ ,các kích thích và hợp kim hóa phù hợp,và cũng có thể trong nhiều trường hợp không phù hợp với vật liệu, sẽ được tạo ra. 5. bề mặt và biên của các hạt có thể được tráng một lớp chất nền thích hợp. 6. Các loại mối nối điện ,mối nối đơn và mối nối tiếp đôi có thể được tạo ra dễ dàng. 7. Phân mức năng lượng vùng cấm , phân mức cấu trúc, phân mức hằng số mạng ,… có thể tìm được dễ dàng và từ đó tìm ra những đòi hỏi khi thiết kế pin mặt trời. 8. Trong trường hợp vật liệu là hỗn hợp , hợp chất thì nhờ đó năng lượng vùng cấm và đặc tính quang điện tử có thể được định mức theo mong muốn của chúng ta. 9. Mặt ngoài và các giao diện có thể được biến đổi để cung cấp các hang rào khuyếch tán trung gian và trường điện bề mặt . 10. Các bề mặt có thể được biến đổi nhằm có được mặt phản xạ quangg học/ mặt chuyển tiếp .hay hiệu ứng bẫy quang học , lớp mờ và ta mong đợi. 11. Sự quá độ của các quá trình đơn nhất của pin mặt trời và sự quá độ của từng loại pin mặt trời riêng biệt có thể được hoàn thiện một cách dễ dàng. 12. Ngoài bảo toàn năng lượng và vật liệu, quá trình tấm mỏng rất thân thiện với môi trường và vì vậy nó là các quá trình “xanh”. Nhưng, lưu ý rằng cái gì tốt cũng có cái giá của nó cả ,khả năng biến đổi được rất nhiều các đặc tính của màng mỏng theo yêu cầu nhằm tạo ra được một pin mặt trời hiệu quả đòi hỏi ta hiểu biết thật tốt về vật liệu nảy ,vì vậy nó được sản xuất ra phải cần sự giúp đỡ của hang loạt các phương tiện phân tích và kiểm tra hiện đại. Một điều khác cần lưu ý ,đó là đặc tính cực nhạy của màng với các thong số lắng tụ có thể gây ra vô số kết quả không mong muốn; do đó vật liệu màng mỏng phải được xem xét một cách chi tiết và hiểu biết thật thong suốt. Vật liệu PV Vật liệu quang điện Thường thì vật liệu quang điện là các chất bán dẫn vô cơ, được kết hợp với các vật liệu khác tạo thành các lớp chuyển tiếp thích hợp và hình thành hiệu ứng quang điện khi đưa ra ánh sáng. Nhiều vật liệu bán dẫn có hiệu ứng quang điện nhưng chỉ 1 số ít có hiệu quả kinh tế do chúng phải thỏa mãn điều kiện ràng buộc về bề dày và rộng. Lý tưởng nhất là vật liệu hấp thụ của 1 pin mặt trời hiệu suất cao phải là bán dẫn vùng cấm trực tiếp với độ rộng vùng cấm ~1.5eV với khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời cao (~105/cm), hệ số lượng tử đối với hạt tải bị kích thích cao, chiều dài khuếch tán lớn, vận tốc tái hợp nhỏ, và nên có khả năng tạo thành các lớp tiếp xúc tốt về điện (homo/hetero/Schottky) với các vật liệu tương thích. Với độ hấp thụ ánh sáng cao, bề dày tốt nhất của 1 bộ phận hấp thụ của pin mặt trời là bậc của nghịch đảo của hệ số hấp thụ quang học và do đó nó phải là 1 tấm mỏng. Theo quan điểm về gia công và chế tạo, các vật liệu cơ bản là đơn giản nhất. Tuy nhiên, không có vật liệu bán dẫn cơ bản thích hợp nào có vùng cấm trực tiếp nào cỡ 1.5eV. Si là 1 vật liệu vùng cấm gián tiếp với độ rộng vùng cấm ~1.1eV do đó nó ko thể là vật liệu lý tưởng. Để hấp thụ tốt năng lượng mặt trời, miếng Si phải dày ít nhất 50μm trừ khi sử dụng các kỹ thuật tăng cường quang học để làm tăng hiệu suất hấp thụ. 1 chất mới được xếp vào danh sách các vật liệu cơ bản gần đây là carbon giống kim cương được pha tạp Bo và tấm mỏng fullerene, 2 chất này đã được nghiên cứu về hiệu ứng quang điện và cho những kết quả đầy hứa hẹn. Ta có nhiều sự lựa chọn về vật liệu hơn đối với tấm mỏng hợp kim/phức hợp 2 thành phần. 1 tấm mỏng hợp kim nửa bền của a-Si:H với vùng cấm có thể điều chỉnh được, dễ pha tạp và hệ số hấp thụ ánh sáng cao vừa xuất hiện như 1 vật liệu đầy hấp dẫn, và được khám phá ra 1 cách đầy may mắn. Thật sự là trong những năm 80, công nghệ sản xuất pin mặt trời tấm mỏng dựa trên a-Si:H đã đe dọa soán ngôi của pin Si đơn tinh thể. Bên cạnh đó hợp kim a-Si:H bán bền vững này còn có các vật liệu 2 thành phần khác cũng rất thuận lợi để chế tạo pin mặt trời đó là GaAs, CdTe, Cu2S, Cu2O, InP, Zn3P2... Trong số đó, GaAs, InP và hợp kim và hợp chất dẫn xuất từ chúng là lý tưởng cho các ứng dụng quang điện nhưng lại quá đắt để triển khai rộng rãi. Với số lượng ngày càng nhiều các hợp chất, số các vật liệu khả dĩ cũng tăng lên theo tỉ lệ. Ví dụ như hợp kim và hợp chất của các chất 3 thành phần I-III-VI và các chất 4 thành phần liên quan có thể tạo nên 1 vật liệu quang điện phù hợp. Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng cùng với việc tăng thành phần thì giản đồ pha của các vật liệu này ở dạng lớn cũng khá phức tạp. Ở dạng tấm mỏng cỡ cấu tạo vi tinh thể, giản đồ pha mờ và phức tạp hơn, nếu có thể xác định được. Thật vậy, nó cho phép sự sắp xếp và tồn tại đồng thời của các cấu trúc tinh thể khả dĩ và phân bố quá hỗn tạp. 1 sự thay thế thú vị cho bộ phận hấp thụ bằng vật liệu bán dẫn vô cơ là bán dẫn hữu cơ kết hợp 1 vài tính chất quang điện thú vị với các tính chất cơ học và gia công hoàn hảo của vật liệu polymer. Trong các chất bán dẫn hữu cơ, sự hấp thụ photon dẫn đến việc tạo thành các cặp electron-lỗ trống liên kết (exciton-các phần tử kích thích) với năng lượng liên kết ~0.5eV lớn hơn hạt tải tự do. Các exciton mang năng lượng nhưng trung hòa về điện (tổng thể) và phải khuếch tán đến các vị trí phân ly nơi mà các điện tích của nó được tách ra và được chuyển đến lớp chuyển tiếp. Trong hầu hết các vật liệu bán dẫn hữu cơ, chỉ 1 phần nhỏ (~30%) ánh sáng tới được hấp thụ bởi vì đa số các polymer có năng lượng vùng cấm cao hơn 2eV. Sự kém linh động của các hạt tải điện và exciton đòi hỏi lớp hấp thụ hoạt động có bề dày phải bé hơn 100nm. Bề dày này đủ để hấp thụ hầu hết photon ánh sáng tới nếu sử dụng bẫy quang học. Quan trong hơn, chất bán dẫn hữu cơ có thể chế tạo từ các dung dịch ở nhiệt độ phòng hoặc gần nhiệt độ phòng trên chất nền dẻo sử dụng các phương pháp ngưng tụ đơn giản, rẻ, năng lượng thấp như phủ spin từ đó tạo ra các thiết bị rẻ hơn. Mặc dù hiệu suất của các thiết bị này hiện tại vẫn còn thấp nhưng chúng có những ứng dụng ngay cho các ứng dụng công suất nhỏ dựa trên các pin mặt trời dùng 1 lần. Trong số các vấn đề chính được xác định trước khi thiết bị hữu cơ có thể thâm nhập thị trường là phải tăng độ ổn định của polymer liên hợp và phải so khớp năng lượng vùng cấm của các vật liệu hữu cơ trùng với quang phổ mặt trời để hệ số chuyển đổi cao hơn bằng cách dùng các polymer hỗn hợp/lai tạp và chất nhuộm thích hợp. Các thiết bị pin mặt trời dạng màng mỏng Về cơ bản, pin mặt trời là 1 thiết bị dùng lớp chuyển tiếp tạo nên bằng cách ghép 2 vật liệu có đặc tính về điện khác nhau với 1 hàng rào điện ở giữa để phân tách điện tích. Tuy nhiên, các thiết bị có hiệu suất cao phải bảo đảm 1 hệ số chuyển đổi photon ánh sáng cao và hệ số hấp thụ các hạt tải kích thích lớn. Rất nhiều các loại chuyển tiếp như hàng rào Schottky, homojunction, heterojunction đã được nghiên cứu. Lớp chuyển tiếp có thể đột ngột, gián đoạn, gối tầng... liên quan đến các vật liệu với đặc tính dẫn điện khác nhau. Ví dụ điển hình về mặt cắt của các lớp chuyển tiếp khác nhau, Cu(InGa)Se2, CdTe/CdS, chuyển tiếp 3 lớp p-i-n a-Si:H được chỉ ra trên hình 3. Các thiết bị chuyển tiếp khác nhau với các năng lượng vùng cấm phù hợp có thể được đặt theo thứ tự trước sau hoặc có thể được tích hợp để tạo nên 1 thiết bị đa chuyển tiếp. Về lý thuyết, nếu tất cả photon ánh sáng có thể chuyển hóa thành điện năng thì ta có thể tiến đến hiệu suất chu trình Carnot. Đánh giá lý thuyết cho thấy hiệu suất 53% có thể đạt được với thiết bị 4 lớp chuyển tiếp và khi số lớp chuyển tiếp tiến đến vô cùng thì hiệu suất có thể đạt đến 68%. Do sự khó khăn và phức tạp để chể tạo ra các lớp chuyển tiếp quang điện phù hợp như vậy cho nên có thiết bị thương mại hóa đã được sản xuất chỉ có tối đa 3 lớp chuyển tiếp dựa trên a-Si:H và GaAs. Điều này có thể xảy ra là do trong các trường hợp này gia công năng lượng vùng cấm với các chất phụ gia/ pha tạp có thể đạt được dễ dàng. Bằng cách sử dụng cấu trúc thiết bị đa chuyển tiếp trong 1 pin mặt trời a:Si-H cấu tạo trước sau có thể tạo ra các thiết bị ổn định hơn và h