Năng lượng mặt trời nltt baigiang3

Cấu tạo và ký hiệu của nguyên tố silic Nguyên tử silic có 4 điện tử hóa trị, với ký hiệu thường dùng như hình bên phải... Mạng tinh thể silic Các nguyên tử silic tạo liên kết hóa trị v

408004 Năng lượng tái tạo

Giảng viên: TS Nguyễn Quang Nam

2013 – 2014, HK1

http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php

nqnam@hcmut.edu.vn

Ch 2: Năng lượng mặt trời

2.2 Tế bào quang điện

2.3 Đặc tính I-V của pin quang điện

2.4 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng che

Tế bào quang điện

Xu hướng giá thành pin quang điện

Sản lượng PV trên thế giới

Các nguyên tố quan trọng

Cấu tạo và ký hiệu của nguyên tố silic

 Nguyên tử silic có 4 điện tử hóa trị, với ký hiệu thường dùng như hình bên phải

Mạng tinh thể silic

 Các nguyên tử silic tạo liên kết hóa trị với 4 nguyên tử lân cận theo cấu trúc tứ diện, tạo thành mạng tinh thể Cấu trúc giản lược có dạng phẳng

Mức năng lượng

 Khoảng cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị xác định loại vật liệu: vật dẫn, bán dẫn, hay cách điện Thế Fermi nằm giữa vùng dẫn và vùng hóa trị trong bán dẫn và cách điện

Hiệu ứng quang điện

 Khi các quang tử có năng lượng lớn hơn 1,12 eV bị silic hấp thụ, các điện tử có thể đủ năng lượng để chuyển lên vùng dẫn, tạo ra điện thế Khi điện tử trở về vùng hóa trị và tái

hợp với ion dương, sẽ tạo ra một quang tử (nguyên tắc chế tạo diode phát quang – LED)

Năng lượng trong silic bị chiếu sáng

 Khi chiếu sáng mạng tinh thể silic, sinh ra các ion dương trong mạng tinh thể, và tạo ra điện thế

 Các ion có thể di chuyển nếu đường dẫn được hình thành (qua mạch tải)

 Năng lượng của quang tử E liên hệ với vận tốc c và bước sóng :

h là hằng số Planck (= 6,626.1034 J.s)



hc

E 

Ví dụ 8.1

 Tìm bước sóng cực đại mà quang tử phải có để tạo được hiệu ứng quang điện trên mạng tinh thể silic

Giải: Để năng lượng tạo ra lớn hơn năng lượng vùng cấm,

bước sóng phải nhỏ hơn bước sóng cực đại, cho bởi:

m 10

11 ,

1 10

6 , 1 12

, 1

10 3

10 626

 Như vậy, ở các bước sóng dài hơn 1,11 m, ánh sáng sẽ

không tạo ra được hiệu ứng quang điện Ngoài ra, mức năng lượng thừa của các bước sóng ngắn hơn cũng sẽ bị lãng phí

Vùng năng lượng có ích

Bước sóng giới hạn của các vật liệu

 Các vật liệu khác nhau có khả năng chuyển hóa bằng hiệu ứng quang điện khác nhau Bảng 8.2 trình bày bước sóng giới hạn của bốn loại vật liệu phổ biến nhất trong chế tạo pin quang điện

Quang phổ mặt trời

Ảnh hưởng của band-gap đến hiệu suất

 Với silic, hiệu suất cực đại là < 50%.

 Với các vật liệu khác, nếu band-gap nhỏ, điện thế tạo

ra lớn nhưng dòng điện nhỏ Còn nếu band-gap lớn, điện thế tạo ra nhỏ nhưng dòng điện lớn.

 Vì công suất là tích của điện áp và dòng điện, tồn tại một khoảng band-gap tại đó hiệu suất đạt cực đại.

 Hiệu suất thực tế nhỏ hơn giá trị lý thuyết ở đây, nếu xét đến những yếu tố khác.

Hiệu suất quang điện thực tế

Mối nối p-n

 Mối nối p-n được tạo ra để kéo điện tử và lỗ trống về hai phía, giảm xác suất bị tái hợp Điều này giúp cải thiện hiệu suất quang điện.

Mối nối p-n

 Vùng n được tạo ra bằng một nguyên tử hóa trị 3 liên kết với mạng tinh thể silic.

Mối nối p-n

 Hai loại vật liệu đặt cạnh nhau, tạo ra một vùng nghèo (hạt dẫn), và duy trì điện trường để tránh hiện tượng tái hợp làm giảm hiệu suất của hiệu ứng quang điện.

Diode từ mối nối p-n

Ví dụ 8.2

 Xét diode p-n ở 25 C, có dòng điện bão hòa ngược là

10-9 A Tìm điện áp rơi khi diode tải dòng: 0, 1, và 10 A Giải:

a Id = 0 suy ra Vd = 0

b Sắp xếp lại để tính Vd theo Id:

c I = 10 A, V = 0,592 V

V 532 ,

0

1 10

1 ln

9 , 38

1 1

ln 9 , 38

1

9 0

Tế bào quang điện

Mạch tương đương đơn giản của PV

Hai tham số quan trọng của PV

 Điện áp hở mạch (VOC):

Là điện áp rơi trên diode khi toàn

bộ dòng điện do PV tạo ra chạy qua

diode.

 Dòng điện ngắn mạch (ISC):

Là toàn bộ dòng điện do PV tạo ra,

vì điện áp rơi trên diode bằng 0.

Mạch tương đương đơn giản của PV

Ví dụ 8.3

 Khảo sát đặc tính I-V của tế bào quang điện 100 cm2, có I0 =

10-12 A/cm2 Ở bức xạ chuẩn, dòng điện ngắn mạch là 40

mA/cm2 ở 25 C Tìm điện áp hở mạch khi đó và khi bức xạ bằng 50% giá trị chuẩn

Giải: Dòng điện bão hòa ngược là I0 = 10-10 A, dòng điện ngắn mạch ISC = 4 A Áp dụng công thức tính VOC tại 25 C:

Tính lại với dòng điện ngắn mạch bằng một nửa (= 2 A):

V627,

01

ln0257,

V

Ví dụ 8.3

Mạch tương đương chính xác của PV

 Nếu xét đến điện trở nối tiếp do điện trở của dây nối, và điện trở song song do dòng điện rò trong pin quang

điện, mạch tương đương chính xác như dưới đây:

Ghép pin quang điện

 Các tế bào quang điện có thể được ghép với nhau để thành một tấm pin quang điện, các tấm cũng có thể được ghép với nhau thành một dãy pin quang điện

Ghép tế bào thành tấm pin

 Vì điện áp của một tế bào tương đối nhỏ, người ta thường ghép nối tiếp nhiều tế bào với nhau để tạo điện áp phù hợp cho ứng dụng thực tế

Ví dụ 8.4

 36 tế bào được ghép nối tiếp thành tấm pin Ở điều kiện

chuẩn, mỗi tế bào có ISC = 3,4 A và ở 25 C I0 = 6.10-10 A Rsh

= 6,6  và Rs = 0,006  Tính điện áp, dòng điện, và công suất phát ra khi điện áp mỗi tế bào là 0,5 V

Giải: Dòng điện phát ra:

Điện áp và công suất phát ra:

16 , 3 43

, 17

I V

P

Ghép tấm pin thành dãy pin

 Các tấm pin có thể được

ghép nối tiếp (để tăng điện

áp) hoặc ghép song song

(để tăng dòng điện)

Đặc tính I-V của pin quang điện

 Từ quan hệ I-V của pin, có thể xây dựng được đặc tính I-V của pin, và tồn tại một điểm công suất cực đại.

Một số tấm pin tiêu biểu

Ảnh hưởng của nhiệt độ và bức xạ

Ảnh hưởng của bóng che

 Xét trường hợp n tế bào nối tiếp, trong đó có 1 tế bào bị bóng che (che khuất hẳn)

 Điện áp của tấm pin sau khi 1 tế bào bị che khuất:

 Độ thay đổi điện áp tương ứng:

V

V     



Ảnh hưởng của bóng che

Giải: Sụt áp của tấm pin là

Điện áp ngõ ra của tấm pin là

V66,14

Ví dụ 8.6 (tt)

Công suất của tấm pin

P = 4,75  2,14 = 10,1 W

Điện áp rơi trên tế bào bị che là

Công suất tiêu tán trên tế bào đó

W 2

, 30

Khắc phục hiện tượng bóng che

 Nếu ở giữa các cực của tế bào, chúng ta gắn một diode đối song, thì khi tế bào đó bị che khuất, diode đó sẽ dẫn điện, và nối tắt tế bào bị che đó

Khắc phục hiện tượng bóng che

 Ngoài ra chúng ta còn dùng diode chặn để ngăn dòng điện chạy vào nhánh song song có tấm pin bị che khuất