CHƯƠNG III: PIN MẶT TRỜI 3.1. Lịch sử phát triển của pin Mặt Trời
3.3.3. Chất bán dẫn ngoại lai hay có chất pha
3.3.3.3. Chất bán dẫn hỗn hợp
Nếu pha vào Si thuần 2 loại tạp chất trên, ta có chất bán dẫn hỗn hợp.
Trong trường hợp chất bán dẫn hỗn hợp, ta có: n + NA = p + ND; n.p = ni2
Nếu ND > NA → n > p, ta có chất bán dẫn hỗn hợp loại n.
Nếu ND < NA → n < p, ta có chất bán dẫn hỗn hợp loại p.
Như vậy, bằng cách chọn loại tạp chất và nồng độ tạp chất pha vào bán dẫn, người ta có thể tạo ra bán dẫn thuộc loại mong muốn và có tính chất điện mong muốn.
3.3.3.3.1. Lớp chuyển tiếp p-n
a. Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n
Lớp chuyển tiếp p-n được hình thành khi ta cho 2 mẫu bán dẫn khác loại, loại p và loại n, tiếp xúc với nhau.
Khi có sự tiếp xúc, lỗ trống và điện tử khuếch tán từ mẫu p sang n và ngược lại.
Tuy nhiên, do ở bán dẫn loại p, lỗ trống là hạt tải điện đa số, nên dòng khuếch tán từ bán dẫn p sang n chủ yếu là dòng lỗ trống. Lỗ trống từ p sang n tái hợp với điện tử tự do. Do đó, ở phía bán dẫn n gần mặt phân cách 2 mẫu bán dẫn, không còn hạt tải điện tự do nữa.
Ở đó, chỉ có các ion tạp chất mang điện dương. Tương tự, từ phía n sang p, dòng khuếch tán chủ yếu là điện tử. Phía p, gần mặt phân cách 2 mẫu, có các ion tạp chất mang điện âm.
Kết quả của sự khuếch tán là ở mặt phân cách giữa 2 mẫu bán dẫn, bên phía bán dẫn n có một lớp điện tích dương, bên phía bán dẫn p có một lớp điện tích âm. Tại đó xuất hiện một điện trường trong Et hướng từ phía n sang p, có tác dụng ngăn cản sự
Hình 3.10. Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n [1]
sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit
GVHD: Vương Tấn Sĩ 33 SVTH: Nguyễn Văn Mừng ` khuếch tán các hạt mang điện đa số (và thúc đẩy sự khuếch tán các hạt thiểu số). Cường độ của điện trường Et tăng dần, làm cho dòng khuếch tán các hạt tải điện đa số giảm dần. Sự khuếch tán dừng lại khi cường độ điện trường này đạt giá trị ổn định. Ta nói rằng ở chỗ tiếp xúc hai loại bán dẫn đã hình thành lớp chuyển tiếp p-n. Lớp chuyển tiếp có điện trở lớn, vì ở đó hầu như không có hạt tải điện tự do (hình 3.10).
b. Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n
Ta mắc hai đầu của mẫu bán dẫn có lớp chuyển tiếp p-n vào một nguồn điện có hiệu điện thế U, sao cho cực dương của nguồn nối với bán dẫn p, cực âm nối với bán dẫn n, như hình (3.11)
Điện trường ngoài En do nguồn điện gây ra ngược chiều với điện trường trong Et của lớp chuyển tiếp, làm yếu điện trường trong. Do đó, dòng chuyển dời của các hạt tải điện đa số được tăng cường, gây nên dòng điện I có cường độ lớn chạy theo chiều từ bán dẫn p sang n. Đó là dòng điện thuận, được gây ra bởi hiệu điện thế thuận của nguồn điện. Dòng này tăng nhanh khi hiệu điện thế U tăng. Đây là trường hợp lớp chuyển tiếp p-n mắc theo chiều thuận, còn gọi là lớp chuyển tiếp p-n được phân cực thuận. Như vậy, khi lớp chuyển tiếp được phân cực thuận, các hạt tải điện đa số ở hai phía đều đi đến lớp chuyển tiếp và vượt qua lớp này, gây nên sự phun lỗ trống vào bán dẫn n, và phun điện tử vào bán dẫn p.
Ta đổi cực của nguồn điện mắc vào mẫu bán dẫn, tức là mắc cực dương vào bán dẫn n, cực âm vào bán dẫn p (hình 3.12). Điện trường ngoài En cùng chiều với điện trường trong Et . Vì thế, chuyển dời của các hạt tải điện đa số hoàn toàn bị ngăn cản. Qua
[1] Hình 3.12. Lớp chuyển tiếp p-n mắc vào [1]
nguồn điện theo chiều nghịch Hình 3.11. Lớp chuyển tiếp p-n mắc vào
nguồn điện theo chiều thuậ
sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit
GVHD: Vương Tấn Sĩ 34 SVTH: Nguyễn Văn Mừng ` lớp chuyển tiếp, chỉ có dòng các các hạt tải điện thiểu số, gây nên dòng điện I chạy từ phía n sang phía p, có cường độ nhỏ và hầu như không thay đổi khi ta tăng hiệu điện thế U. Đó là dòng điện ngược, do hiệu điện thế ngược của nguồn gây nên. Đây là trường hợp lớp chuyển tiếp p-n mắc theo chiều ngược (hay phân cực ngược). Như vậy, dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n mắc theo chiều thuận (từ p sang n) có cường độ lớn, dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n mắc theo chiều ngược có cường độ rất nhỏ. Lớp chuyển tiếp p-n dẫn điện tốt theo 1 chiều, từ p sang n. Lớp chuyển tiếp p-n có tính chỉnh lưu.
Khảo sát sự biến thiên của cường độ dòng điện theo hiệu điện thế, có thể thu được đường đặc trưng vôn-ampe (hay đặc tuyến vôn-ampe), của lớp chuyển tiếp p-n (hình 3.13).
Với điện áp thuận (U>0) khoảng 1 V tùy theo diện tích cắt ngang của lớp chuyển tiếp p-n, ta có thể có dòng điện cả trăm Ampe hay hơn. Với điện áp nghịch, ta chỉ có dòng chừng vài A.
3.3.3.3.2. Dẫn suất của chất bán dẫn
[1]
Hình 3.14. Những điện tử di chuyển trong tinh thể
[1]
Hình 3.13. Đường đặc trưng vôn-ampe của lớp chuyển tiếp p-n
sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit
GVHD: Vương Tấn Sĩ 35 SVTH: Nguyễn Văn Mừng ` Dưới tác dụng của điện trường, những điện tử có năng lượng trong dải dẫn điện di chuyển tạo nên dòng điện In, nhưng cũng có những điện tử di chuyển từ một nối hoá trị bị gãy đến chiếm chỗ trống của một nối hoá trị đã bị gãy. Những điện tử này cũng tạo ra một dòng điện tương đương với dòng điện do lỗ trống mang điện tích dương di chuyển ngược chiều, ta gọi dòng điện này là Ip. Hình 3.15 mô tả sự di chuyển của điện tử (hay lỗ trống) trong dải hoá trị ở nhiệt độ cao.
Vậy ta có thể coi như dòng điện trong bán dẫn là sự hợp thành của dòng điện do những điện tử trong dải dẫn điện (đa số đối với bám dẫn n và thiểu số đối với bán dẫn p) và những lỗ trống trong dải hoá trị (đa số đối với bán dẫn p và thiểu số đối với bán dẫn n).
Dưới tác dụng của điện trường, các điện tử và lỗ trống di chuyển với vận tốc trung bỡnh vn = àn.E và vp = àp.E.
Tương ứng với những dòng điện này, ta có những mật độ dòng điện J, Jn, Jp sao cho: J = Jn + Jp.
E e n e n
Jn . .n . .n. (3.4) với Jn : mật độ dòng điện trôi của điện tử.
àn: độ linh động của điện tử.
n: mật độ điện tử trong dải dẫn điện.
Jp = n.e.vp = n.e. àp.E (3.5) với Jp : mật độ dòng điện trôi của lỗ trống.
àp: độ linh động của lỗ trống.
[1]
Hình 3.15. Dòng điện trong chất bán dẫn
sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit
GVHD: Vương Tấn Sĩ 36 SVTH: Nguyễn Văn Mừng ` p: mật độ lỗ trống trong dải hoá trị.
Như vậy: J = e.(n.àn + p.àp).E. (3.6)
Theo định luật Ohm, ta cú: J = σ.E → σ = e.(n.àn + p.àp) được gọi là dẫn suất của bỏn dẫn. Trong bỏn dẫn loại n, ta cú n >> p nờn σ # n.àn.e. Trong bỏn dẫn loại p, ta cú p
>> n nờn σ # p.àp.e.
3.3.3.3.3. Hiện tượng quang điện trong của bán dẫn
Xét một hệ 2 mức năng lượng E1<E2, bình thường nguyên tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi nhận bức xạ Mặt Trời, lượng tử ánh sáng photon có năng lượng h (với h là hằng số Planck, là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển sang mức năng lượng E2. Ta có phương trình cân bằng năng lượng: h=E2 - E1.
Hình(3.17) thể hiện các vùng năng lượng của bán dẫn. Khi nhận bức xạ Mặt Trời, photon có năng lượng h tới bán dẫn và bị điện tử ở vùng hóa trị hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, ký hiệu là h+. Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
[1]
Hình 3.17. Các vùng năng lượng
[1]
Hình 3.16. Hệ 2 mức năng lượng
sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit
GVHD: Vương Tấn Sĩ 37 SVTH: Nguyễn Văn Mừng ` Ev
h
Ec
Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình:
Ev + h e- + h+
với Ev là mức năng lượng của mặt trên vùng hóa trị.
Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo các cặp điện tử - lỗ trống là hc Eg Ec Ev
h
với Ec là năng
lượng của mặt dưới vùng dẫn, Eg là năng lượng của vùng cấm.
Từ đó, tính được bước sóng tới hạn c của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e-, h+:
g g v c
c E E
hc E E
hc 1,24
(m) (3.7)
Trong thực tế, các hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự phát tham gia vào quá trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e- giải phóng năng lượng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+ chuyển đến mặt của Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-1210-1 giây và gây ra dao động mạnh. Năng lượng do quá trình phục hồi sẽ là Eph=h-Eg. (3.8)
Tóm lại: Khi vật rắn nhận tia bức xạ Mặt Trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thu năng lượng photon h và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn đện tử - lỗ trống, tức ra đã tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện trong.
3.3.3.3.4. Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện
Ta có thể xác định hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết của quá trình biến đổi quang điện của hệ thống hai mức:
0 0
0 0
) (
) (
hc d J
d J E
c
g
(3.9)
Với J0 (): mật độ photon có bước sóng .
sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit
GVHD: Vương Tấn Sĩ 38 SVTH: Nguyễn Văn Mừng ` J0 ()d : tổng số photon tới có bước sóng trong khoảng +d.
hc/ : năng lượng của photon.
Tử số của (3.9) là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thu của photon trong quá trình quang điện, còn mẫu số là tổng năng lượng của các photon tới hệ.
Như vậy hiệu suất là một hàm của Eg (hình 3.18). Bằng tính toán lý thuyết đối với Si thì hiệu suất 0,44.
3.3.3.3.5.Quá trình tải điện trong chất bán dẫn
Trong điều kiện cân bằng nhiệt, nếu chiếu vào chất bán dẫn một ánh sáng có bước sóng thích hợp sẽ làm xuất hiện thêm các cặp hạt tải điện tử và lỗ trống trong vật liệu.
Đây là các hạt tải không cân bằng. Số lượng của chúng có thể được xác định bởi biểu thức:
N K. (3.10)
Trong đó, K : hệ số hấp thụ ánh sáng của chất bán dẫn.
: số cặp hạt tải được tạo thành trên một lượng tử ánh sáng.
: cường độ ánh sáng chiếu xạ.
: thời gian sống hiệu dụng của hạt tải.