Hiệu ứng quang điện

CHƯƠNG III: PIN MẶT TRỜI 3.1. Lịch sử phát triển của pin Mặt Trời

3.2. Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là hiện tượng điện lượng tử trong đó các điện tử được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ.

3.2.1. Hiện tượng

Khi bề mặt của một tắm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn một tần số ngưỡng (tần số ngưỡng này là đại lượng đặc trưng cho tần số của chất làm nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh ra dòng điện (gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài. Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng thì điện tử không thể vượt qua khỏi hàng rào thế(gọi là công thoát) vì nó không được cung cấp đủ năng lượng. Điện tử phát xạ ra được dưới tác dụng của bức xạ điện từ gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác khi được chiếu sáng với tần số vượt tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do chuyển động trong lòng của khói vật dẫn, và ta có hiệu ứng quang điện trong. Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính dẫn điện của vật dẫn. Do đó người ta gọi nó là hiện tượng quang dẫn.

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit

GVHD: Vương Tấn Sĩ 23 SVTH: Nguyễn Văn Mừng ` Khi chiếu các bức xạ điện từ vào các chất bán dẫn nếu năng lượng photon đủ lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất, năng lượng này sẽ giúp cho điện tử dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Do đó làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn. Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống cũng làm thay đổi cơ bản tính chất điện của chất bán dẫn. Hiệu ứng này được dùng trong photodiode, phototransitor, pin Mặt Trời…

3.2.2. Các định luật quang điện 3.2.2.1.Đường đặc trưng vôn-ampe

Khi rọi vào katod một chùm sáng đơn sắc thích hợp có cường độ không đổi, trong mạch xuất hiện dòng điện. Bây giờ ta thay đổi hiệu điện thế giữa anod và katod thì cường độ dòng quang điện trong mạch cũng thay đổi theo. Sự thay đổi cường độ dòng quang điện theo điện thế UAK được biểu diễn bằng một đường cong mà ta gọi là đường đặc trưng vôn-ampe.

 U f Iqd 

Từ (hình 3.1) cho ta thấy khi ta tăng UAKthì cường độ dòng quang điện tăng theo.

•Uh≤ UAK≤ U0thì Iqd thay đổi theo UAK.

• Khi UAK≥ U0thì Iqd→ Ibh= const.

• Khi UAK=0 thì Iqd≠ 0.

• Khi UAK=Uh< 0 gọi là hiệu điện thế hãm thì Iqd=0. Hiệu điện thế hãm Uhphụ thuộc vào bản chất của katod và bước sóng của ánh sáng chiếu vào katod.

• Muốn thay đổi độ lớn của dòng quang điện bão hòa ta phải thay đổi cường độ chùm ánh sáng chiếu vào katod. Hình 3.1 cho ta thấy đường (1) có cường độ sáng chiếu vào katod lớn hơn đường (2). Cho nên Ibh 1 > Ibh 2 .

Iqd

Ibh

Ibh

h O

U U0

2 1

UAK

Hình 3.1. Đường đặc trưng vôn-ampe [1]

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit

GVHD: Vương Tấn Sĩ 24 SVTH: Nguyễn Văn Mừng ` 3.2.2.2. Định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa

Cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ chùm ánh sáng chiếu vào katod.

Điều này cho thấy rằng cường độ dòng quang điện bão hòa lại liên quan và được xác định số electron bứt khỏi katodtrong một đơn vị thời gian cho nên ta có thể phát biểu định luật này theo cách thứ hai như sau: “số electron bứt khỏi katodtrong một đơn vị thời gian tỉ lệ với cường độ của chùm ánh sáng chiếu vào katod”.

3.2.2.3. Định luật về vận tốc ban đầu cực đại của các quang electron (Động năng) Từ đường đặc trưng vôn-ampe ở (hình 3.1) cho thấy UAK= 0 thì Iqd≠ 0 điều này chứng tỏ các electron quang điện đã có một vận tốc ban đầu tương ứng với một động năng đủ lớn để có thể dịch chuyển về anod tạo ra dòng quang điện trong trường hợp UAK< 0 tức là trong bình chân không giữa anod và katod có một điện trường cản. Điện trường cản này đủ sức để ngăn cản không cho một electron nào dịch chuyển về anod khi hiệu điện thế UAK= Uh

Từ đó vận tốc ban đầu cực đại của các quang electron có thể được xác định qua biểu thức sau: mV e.Uh

2

1 2

max

0  (3.1)

Mặt khác Uh lại phụ thuộc vào bản chất của katod và ánh sáng chiếu vào do đó ta có thể phát biểu định luật này như sau:

“Vận tốc ban đầu cực đại của các quang electron không phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng chiếu tới mà chỉ phụ thuộc vào tần số (bước sóng) của chùm ánh sáng đó”.

3.2.3. Giải thích các định luật quang điện

Để giải thích các định luật quang điện, năm 1905 Albert Einstein đã phát triển thuyết lượng tử của Plan, ông cho rằng “Năng lượng của ánh sáng cũng bị hấp thụ thành từng phần riêng biệt Ehf cũng giống như khi bị bức xạ và ông cũng cho rằng khi vật hấp thụ được một năng lượng Ehf thì sẽ có một quang electron bị bật ra khỏi vật”.

Năng lượng E hf dùng để:

Sinh công thoát A0 để tách electron ra khỏi vật.

Truyền cho electron một động năng ban đầu cực đại 02max 2

1mV Eđ  .

2 max 0

0 2

1mV c A

h hf

E    

 (3.2)

Biểu thức (3.2) gọi là công thức Einstein.

Từ công thức (3.2) chúng ta sẽ thấy việc giải thích các định luật quang điện sẽ phù hợp với thực nghiệm.

Công thức (3.2) cho thấy vận tốc (động năng) ban đầu cực đại của các quang electron không phụ thuộc vào cường độ chùm ánh sáng chiếu vào mà nó chỉ phụ thuộc vào tần số (bước sóng) chiếu vào.

Để có hiện tượng quang điện theo công thức (3.2) thì.

A0

hc hf

E  

 .