CHƯƠNG III: PIN MẶT TRỜI 3.1. Lịch sử phát triển của pin Mặt Trời
3.4.3. Nguyên lý của pin Mặt Trời
a. Pin Mặt trời một mức năng lượng
Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n bằng ánh sáng có bước sóng thích hợp, cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, bị tách ra dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc Utx và bị gia tốc về các phía đối diện tạo thành một sức điện động quang điện. Điện trường ở lớp chuyển tiếp p-n đẩy các lỗ trống về phía bán dẫn p và đẩy các điện tử về phía bán dẫn n.
Do đó, lớp kim loại mỏng trên lớp bán dẫn p sẽ nhiễm điện dương và trở thành điện cực dương của pin, còn đế kim loại dưới bán dẫn n sẽ nhiễm điện âm và trở thành điện cực âm (hình 3.28). Suất điện động của pin quang điện thường có giá trị từ 0,5 - 0,8 V và phụ thuộc vào bản chất chất bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp xúc, bước sóng, cường độ ánh sáng tới.
Hình 3.28. Quá trình hình thành suất điện động trong pin quang điện. [1]
Hình 3.27. Sơ đồ chế tạo 1 tấm pin Mặt trời [1]
sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit
GVHD: Vương Tấn Sĩ 49 SVTH: Nguyễn Văn Mừng ` Lớp chuyển tiếp p-n có tính chỉnh lưu như một diod, chỉ cho đện tử dẫn và lỗ trống dẫn trong vùng tiếp xúc di chuyển về phía bán dẫn n và bán dẫn p tương ứng.
Nối các đầu bán dẫn bằng một dây dẫn thì trong dây xuất hiện dòng quang điện I đi theo chiều từ bán dẫn p qua tải về bán dẫn n.
Lưu ý: Chỉ có các cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra ở miền tiếp xúc hoặc cách bờ miền tiếp xúc một khoảng gọi là độ dài khuếch tán trung bình của cặp điện tử - lỗ trống thì mới bị điện trường tiếp xúc tách ra và tạo ra dòng quang điện.
b. Pin Mặt trời nhiều mức năng lượng
Cho đến đây ta chỉ nghiên cứu sơ đồ hệ thống pin Mặt Trời 2 mức hay 2 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 2 mức là 0,25. Một trong các lý do quan trọng của hiệu suất thấp trong hệ thống 2 mức là vì hệ chỉ hấp thụ các photon tới có năng lượng thỏa mãn điều kiện h>Eg = E2 – E1. Tất cả các photon có năng lượng h < 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 3 hệ hai mức năng lượng có năng lượng vùng cấm giảm dần Eg1 > Eg2 > Eg3 (hay c1 c2 c3). Ánh sáng được chiếu tới từ vật liệu có năng lượng cấm lớn Eg1. Các photon có năng lượng h > Eg1 sẽ bị hệ thứ nhất hấp thụ.
Còn các photon có năng lượng h < Eg1 sẽ tới được lớp tiếp xúc thứ hai. Sau đó các photon có h < 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 h > Eg3 ; Eg3<< Eg1.
Thay vì chỉ có một phần photon có năng lượng h > Eg1 bị hấp thụ như trong sơ đồ hệ thống 2 mức. Như vậy, hiệu suất của sơ đồ 3 hệ thống này sẽ cao hơn.
Năng lượng của bức xạ Mặt Trời được biến đổi thành điện năng qua hệ thống trên:
d E J d E J d
J E E
c
c c
c c
g g
gl
3
2 2
1 1
3 2
0
(3.11)
sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit
GVHD: Vương Tấn Sĩ 50 SVTH: Nguyễn Văn Mừng ` Trong đó J: mật độ photon có bước sóng ;c1,c2,c3,.. : 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:
Iph Iph Iph qK J d qKNph
cn
cn
1
3 2
1 (3.12)
Điện thế hở mạch trên 1 lớp tiếp xúc p-n có thể viết:
ph g D
ocn qKN
L Ag q kT q
V E n ln 0 (3.13) Do đó tổng điện thế hở mạch V0 Voc trên cả hệ thống:
V0 V V01 V02 V03
n
on
(3.14) Và công suất điện năng được sản xuất ra:
n n ph
g D ph
ph oc
m qKN
L Ag q nkT q E qfKN
I fV
P g ln 0 (3.15)
Ta thấy hiệu suất biến đổi quang – điện là một hàm số của hệ số con n.
Pin Mặt Trời có cấu trúc nhiều lớp xếp chồng lên nhau được gọi là pin Mặt Trời xếp chồng hay “bánh kẹp”. Hiệu suất biến đổi của một hệ thống có thể đạt đến 40% đối với số năng lượng đủ lớn. Trong thực tế do khó khăn về vật liệu nên số năng lượng bị giới hạn. Ngoài ra hiệu suất chỉ tăng đáng kể khi n còn nhỏ, còn khi n lớn sự tăng hiệu suất là không nhiều. Vì vậy, ý tưởng xây dựng một hệ thống pin Mặt Trời nối tiếp nhiều lớp tiếp xúc thực tế chỉ giới hạn với n = 3 - 4 (hình 3.29).
Hình 3.29. Cấu trúc của pin mặt trời ba lớp tiếp xúc [1]
sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit
GVHD: Vương Tấn Sĩ 51 SVTH: Nguyễn Văn Mừng ` Sau khi chúng ta đã tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời.
Ta đã biết nó chuyển hóa năng lượng Mặt Trời thành điện năng. Vậy con người đã biết tận dụng nguồn năng lượng này ra sao? Để trả lời được câu hỏi này chúng ta hãy tìm hiểu tiếp chương sau.
sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit
GVHD: Vương Tấn Sĩ 52 SVTH: Nguyễn Văn Mừng `