Chương 2: PIN MẶT TRỜI 1.Lý thuyết về tế bào quang điện
2.2. Cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của pin Mặt Trời
Pin Mặt Trời được xản suất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin Mặt Trời được chế tạo từ tinh thể silicon(Si). Si là một chất bán dẫn điển hình và có hóa trị 4. Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho (P) có hóa trị 5. Còn để có vật liệu tinh thể bán dẫn loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3. Đối với pin Mặt Trời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch vào khoảng 0,55V, còn dòng đoản mạch dưới bức xạ Mặt Trời 1000W/m2 vào khoảng 25 ÷ 30 mA/cm2. Hiện nay người ta đã đưa ra thị trường các pin Mặt Trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si). Pin Mặt Trời a-Si có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn. Tuy nhiên so với pin Mặt Trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làm việc ngoài trời.
Ngoài Si, người ta còn nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều hứa hẹn như hệ bán dẫn hợp chất nhóm III-V, sunfit cadmi – đồng (CuCaS), gallium- arsenit (GaAs),.. Tuy nhiên, hiện nay việc nghiên cứu và chế tạo pin Mặt Trời từ các vật liệu khác Si chỉ mới ở phạm vi và thử nghiệm.
Một hướng khác nhằm nâng cao hiệu suất biến đổi của pin Mặt Trời là thiết kế, chế tạo các pin Mặt Trời gồm một số lớp tiếp xúc để tăng khả năng hấp thụ photon có năng lượng khác nhau trong phổ bức xạ Mặt Trời.
2.2.2Phân loại
Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho pin Mặt Trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể. Pin Mặt Trời từ tinh thể Silic chia ra thành 3 loại:
a.Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski.
Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất mắc tiền do đươc cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
SVTH: Hồ Thanh Hương Ngành SP Vật lý – Công nghệ 18
b. Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc – đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn nhưng chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn các đơn tinh thể.
c.Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể, loại này thường có hiệu suất thấp nhất do đó loại này rẻ nhất vì không cần phải cắt từ thỏi silicon. Các công nghệ trên là sản phẩm tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300àm tạo thành và xếp lại để tạo nờn module.
2.2.3Nguyên lí làm việc của pin Mặt Trời:
Hình 2.21. Cơ chế hoạt động của pin Mặt Trời [6]
Hình 2.22. Cơ chế hoạt động của pin Mặt Trời [6]
Tóm lại, pin Mặt Trời làm việc theo nguyên lý biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt Trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.[3]
SVTH: Hồ Thanh Hương Ngành SP Vật lý – Công nghệ 19
a. Đặc tuyến IV của pin Mặt Trời
Dựa trên những tiền đề của Shockley và không có chiếu sáng ta có sự liên hệ giữa dòng quang điện và điện thế cho lớp chuyển tiếp p-n:
I(V) = ( ⁄ ) (2.21)
Trong đó, I0: dòng điện bão hòa Shockley; được gọi là điện thế nhiệt, với T=300K.
Dưới một bức xạ đặc tuyến I(V) bị dịch chuyển theo chiều âm của trục tọa độ I.
Khoảng dịch chuyển này bằng dòng quang điện Iphot (ngắn mạch):
Ta có: I(V) = ( ⁄ ) (2.22)
Nếu lớp chuyển tiếp p-n trong phần I và III của mặt phẳng tọa độ, lớp p-n đóng vai trò như một Photodiode. Trong trường hợp này sự dịch chuyển của đặc tuyến theo cường độ chiếu sáng được sử dụng trong các mạch điện dùng để đo đạc hay tự động hóa…
Nếu lớp chuyển tiếp p-n làm việc trong phần tư thứ IV của mặt phẳng tọa độ thì điện thế của lớp chuyển tiếp p-n và dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n có dấu khác nhau, ta có chế độ làm việc của một máy phát điện. Linh kiện này được gọi là tế bào mặt trời hay tế bào quang điện. Tế bào quang điện có khả năng cho ta một công suất hiệu dụng Pphot khi được chiếu sáng. Như máy phát điện, tế bào mặt trời cũng có đặc trưng tiêu biểu với điện thế hở Vop và dòng ngắn mạch Iphot.
Khi những photon của ánh sáng thẩm thấu vào mạng tinh thể của lớp chuyển tiếp p-n thì nó sẽ truyền năng lượng cho mạng tinh thể. Năng lượng này kích thích các nguyên tử của mạng tinh thể để cho các electron ở tầng ngoài được tự do. Các electron này biến thành các electron dẫn điện và để lại các nguyên tử có điện tích dương. Ta gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang điện bên trong. Điện thế khuếch tán hút các electron tự diode này từ vùng sang vùng n và các lỗ trống từ vùng n sang vùng p.
Vùng n sẽ được tích tụ rất nhiều electron và vùng p tích tụ rất nhiều lỗ trống đến khi nào điện trường được hình thành từ electron và lỗ trống trung hòa điện thế khuếch tán. Ta có điện thế hở của tế bào mặt trời. Nối tắt vùng p-n của tế bào mặt trời ta có một dòng điện ngắn mạch Iphot tỉ lệ với cường độ chiếu sáng.
b. Hiệu suất biến đổi quang năng thành điện năng
Khi nói về cơ chế hoạt động của của một lớp p-n khi bị chiếu sáng. Hai thông số quan trọng của tế bào quang điện hay tế bào mặt trời đó là hiệu suất biến đổi và công suất hiệu dụng. Khác với tế bào mặt trời, tế bào quang điện được cấu tạo với những cấu trúc
SVTH: Hồ Thanh Hương Ngành SP Vật lý – Công nghệ 20
bé cho công suất nhỏ và không được tối ưu cho phổ mặt trời. Mặt trời cho một phổ rộng nhưng vật liệu bán dẫn chỉ hấp thụ ánh sáng đơn sắc cho dòng quang điện hữu ích. Và chỉ có những quang tử có năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm mới đóng vai trò biến đổi năng lượng. Những quang tử còn lại chỉ tạo nhiệt năng tỏa vào mạng tinh thể. Khoảng cách vùng cấm càng bé thì thì số quang tử hữu ích biến thành điện năng càng lớn, nhưng điện thế quang điện càng bé, hiệu suất biến đổi là tỷ lệ công suất hiệu dụng lớn nhất và hệ số mặt trời S là:
ŋ = ( ) (2.23)
Năng lượng mặt trời đến bề mặt trái đất tùy thuộc vào nhiệt độ của bề mặt mặt trời và khoảng cách giữa mặt trời và trái đất. Nó giảm theo bình phương của khoảng cách giữa chúng. Phản ứng nhiệt hạch bên trong mặt trời cung cấp liên tục năng lượng mà mặt trời phóng thích. Các ngôi sao trong vũ trụ có nhiệt độ bề mặt từ 5000K đến 10.000K.
Mặt trời có nhiệt độ khoảng 5800K. Với nhiệt độ này thì các nguyên tử được thể hiện dưới dạng nguyên tử phần lớn đều bị ion hóa và cho ta một số lượng lớn đường hấp thụ, lớp khí trên bề mặt của mặt trời có thể coi như vật đen phát ra bức xạ. Theo định luật Stefan – Boltzmann thì năng lượng của một vật đen sẽ tăng theo lũy thừa bậc bốn theo nhiệt độ của nó.
Ta có công suất bức xạ từ mặt trời đến trái đất như sau:
(
) .σ (2.24) Trong đó, σ = 5,67.10-8 W/m2K4: hằng số Stefan – Boltzmann.
rs= 0,696.109 m: bán kính mặt trời.
rE= 6,38.106 m: bán kính trái đất.
rse= 1,496.1011 m: khoảng cách trái đất đến mặt trời.
TS=5800K: nhiệt độ bề mặt của mặt trời.
Công suất đến trái đất PS = 1,776.1017 W hay 1,5.108 kWh trong một năm. Do quỹ đạo của trái đất có hình elip nên công suất này thay đổi theo thời gian trong năm.
Công suất lớn nhất có thể lấy được từ một tế bào mặt trời tùy thuộc vào điện tích ngăn cách bởi đặc tuyến I(U) và hai trục tọa độ với dòng ngắn mạch và điện thế mạch hở. Đặc tuyến trong vùng này bị thay đổi do ảnh hưởng của điện trở vật liệu bán dẫn. Công suất của tế bào mặt trời còn bị các nguyên nhân khác làm suy giảm đi do sự tái hợp trong vùng điện tích không gian và vùng dẫn điện và sự phản chiếu.
SVTH: Hồ Thanh Hương Ngành SP Vật lý – Công nghệ 21
c. Nguyên lí của pin Mặt Trời nhiều mức năng lƣợng
Cho đến đây ta chỉ nghiên cứu sơ đồ hệ thống pin Mặt Trời hai mức hay hai vùng năng lượng và đã chỉ ra rằng giới hạn thực tế của hiệu suất biến đổi năng lượng của pin Mặt Trời ở 250C trên hệ hai mức là 0,25. Một trong các lý do quan trọng của hiệu suất thấp trong hệ thống hai mức là vì hệ chỉ hấp thụ các photon tới có năng lượng thỏa mãn điều kiện hυ > Eg = E2 – E1. Tất cả các photon có năng lượng hυ < Eg bị truyền qua vật liệu mà không gây ra hiệu ứng quang điện. Vì vậy, người ta đã tìm kiếm các sơ đồ để có thể tận dụng phần năng lượng truyền qua và qua đó có thể vượt qua giới hạn hiệu suất nói trên. Dưới đây ta đã nghiên cứu các hệ thống pin Mặt Trời bao gồm một số mức năng lượng.
Trước hết xét sơ đồ hệ thống gồm ba hệ hai mức năng lượng có năng lượng dùng cấm giảm dần Eg1 > Eg2> Eg3 (hay c1c2 c3). Ánh sáng được chiếu tới từ vật liệu có năng lượng cấm lớn Eg1. Các photon có năng lượng hυ > Eg1 sẽ bị hệ thứ nhất hấp thụ.
Còn các photon có năng lượng hυ < Eg1 sẽ tới được lớp tiếp xúc thứ hai. Sau đó các photon có hυ < Eg2 lại tiếp tục tới lớp tiếp xúc tiếp theo.
Như vậy, một sơ đồ như trên có thể hấp thụ tất cả các photon có năng lượng hυ > Eg3 ; Eg3<< Eg1 (2.25)
Thay vì chỉ có một phần photon có năng lượng hv > Eg1 bị hấp thụ như trong sơ đồ hệ thống hai mức. Như vậy r ràng hiệu suất của sơ đồ ba hệ thống này sẽ cao hơn.
Năng lượng của bức xạ Mặt Trời (photon) được biến đổi thành điện năng qua hệ thống trên có thể biểu diễn như sau:
E = ∫ ∫ ∫ (2.26)
Trong đó J là mật độ photon có bước sóng ;c1,c2,c3, là các bước sóng giới hạn quang điện trên các vật liệu có năng lượng cấm Eg1 , Eg2 , Eg3.
Về nguyên tắc khi tăng số lượng hệ thống con thì các photon bị hấp thụ cũng tăng lên và do đó hiệu suất biến đổi quang điện cũng tăng theo. Dòng quang điện được tạo ra trong các lớp con phải bằng nhau, tức là:
∫
(2.27)
Điện thế hở mạch trên một lớp tiếp xúc p-n có thể viết: