khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện (solar battery 5 cells voltage u0 2,4v 6cm x 6cm, short – circuit current ik 0,32a)

Các photon của ánh sáng với năng lượng lượng tử hv > Eg có thể kích thích các electron lên miền dẫn khi chúng bị hấp thụ do các va chạm quang điện.. Tại gần bề mặt tiếp xúc sẽ còn lại cá

KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT PIN QUANG ĐIỆN

(SOLAR BATTERY 5 CELLS VOLTAGE U0 2,4V 6cm x 6cm, SHORT – CIRCUIT CURRENT IK < 0,32A)

Luận văn tốt nghiệp đại học Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Chuyên ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – CÔNG NGHỆ

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

Mã số SV: 1117592

Lớp: Sư phạm Vật lý – Công nghệ

Khóa: 37

Cần Thơ, năm 2015

LỜI CẢM ƠN

Em gởi lời biết ơn sâu sắc đến thầy LÊ VĂN NHẠN đã trực tiếp hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn thầy VƯƠNG TẤN SĨ đã nhiệt tình đóng góp để em khắc phục và sửa chữa những thiếu sót và hoàn thiện luận văn hơn

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong Bộ môn Vật lý, trường Đại học Cần Thơ đã truyền đạt cho em những kiến thức, kỹ năng và phương pháp sư phạm tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn này

Con xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đặc biệt là mẹ Mẹ đã khích lệ, động viên con trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Đồng cảm ơn các bạn sinh viên lớp Sư phạm Vật lý – Công nghệ K37

đã nhiệt tình giúp đỡ, thăm hỏi tôi hoàn thành đề tài

Cuối cùng, xin chúc quý thầy cô và các bạn dồi dào sức khỏe và thành công hơn nữa trong công tác

Trân trọng!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện Các số liệu, kết quả phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây

Mọi tham khảo, trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Cần Thơ, ngày 27 tháng 4 năm 2015

Tác giả

Nguyễn Thị Ngọc Huyền

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn i SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Giới hạn của đề tài 1

3 Mục đích nghiên cứu 1

4 Mục tiêu nghiên cứu 1

5.Các giả thuyết của đề tài 2

6 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

7 Phương pháp nghiên cứu 2

8 các giai đoạn thực hiện đề tài 2

PHẦN LÝ THUYẾT 3

CHƯƠNG 1 THUYẾT MIỀN NĂNG LƯỢNG 3

1 Trong kim loại 4

2 Trong điện môi 4

3 Trong chất bán dẫn 5

CHƯƠNG 2 CHẤT BÁN DẪN 6

1 Chất bán dẫn tinh khiết 6

2 Chất bán dẫn pha tạp 7

2.1 Chất bán dẫn loại n 7

2.2 Chất bán dẫn loại p 8

2.3 Lớp chuyển tiếp p_n 9

CHƯƠNG 3 HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN 15

1 Hiện tượng 15

2 Các định luật quang điện và giải thích 15

2.1 Các định luật quang điện 15

2.2 Giải thích các định luật quang điện 15

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn ii SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

3 Hiệu ứng quang điện trong hệ thống hai mức năng lượng 16

4 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện 17

5 Sự tạo thành hàng rào thế năng 19

6 Tính chỉnh lưu của lớp tiếp xúc chất bán dẫn 20

7 Đường đặc trưng VA sáng - sự tạo thành dòng điện 22

CHƯƠNG 4 PIN QUANG ĐIỆN 25

1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin quang điện 25

1.1 Cấu tạo của pin quang điện 25

1.2 Nguyên lý hoạt động của pin quang điện 27

2 Các đặc trưng điện của pin quang điện 28

2.1 Sơ đồ tương đương 28

2.2 Dòng đoản mạch ISC 29

2.3 Thế hở mạch VOC 30

2.4 Điểm làm việc với công suất cực đại 32

2.5 Các điều kiện về tải tiêu thụ điện 34

2.6 Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin 35

2.7 Hiệu suất biến đổi quang điện của pin 38

PHẦN THỰC HÀNH 39

1 MỤC ĐÍCH 39

2 DỤNG CỤ 39

3 THỰC HÀNH 42

3.1 Cấu tạo của pin 43

3.2 Khảo sát đặc tính kỹ thuật của pin 43

3.2.1 Trường hợp 1 43

3.2.2 Trường hợp 2 53

3.2.3 Trường hợp 3 56

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn iii SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

3.3 Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin Mặt Trời trong thực tế 58

3.3.1 Giới thiệu pin Mặt Trời sẽ khảo sát 58

3.3.2 Khảo sát công suất của pin Mặt Trời trong thực tế 59

PHẦN KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC 64

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 1 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

- Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, con người đã đạt được nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật quan trọng Những thành tựu đáng chú ý đó là chế tạo thành công pin Mặt Trời

- Pin Mặt Trời hay còn gọi là pin quang điện là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng Mặt Trời qua thiết bị biến đổi quang điện Pin Mặt Trời có ưu điểm là gọn nhẹ, có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng Mặt Trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Việc sử dụng pin năng lượng Mặt Trời như một nguồn năng lượng tại chỗ thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, góp phần tiết kiệm điện, giảm tải nhu cầu ngày càng tăng lên về năng lượng cho quốc gia, hệ thống pin năng lượng Mặt Trời cung cấp điện cho các thiết bị điện, sẽ góp phần giảm phụ thuộc quá nhiều vào lưới điện quốc gia, đồng thời tạo ra một năng lượng tái tạo xanh, sạch, độc lập và thân thiện với môi trường

- Để đánh giá hiệu quả làm việc của một pin quang điện người ta dựa trên đặc tính

kỹ thuật của nó, những thông số đó quyết định khả năng làm việc của pin quang điện Ngày nay có rất nhiều dạng pin quang điện phục vụ cho nhu cầu sản xuất và tiêu dùng Tuy nhiên mỗi pin quang điện khác nhau thì có thông số kỹ thuật khác nhau

- Xuất phát từ những suy nghĩ trên, khi tiến hành chọn đề tài tốt nghiệp, em đã

quyết định chọn đề tài “Khảo sát đặc tính kỹ thuật của pin quang điện (Solar battery

5 Cells Voltage U 0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current I K < 0,32A)” Trong quá

trình thực hiện luận văn chắc chắn em không tránh khỏi sai sót Mong được sự thông cảm

và góp ý của Quý Thầy cô và các bạn

4 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết các đại lượng đặc trưng, các định luật liên quan đến pin quang điện

- Khảo sát cấu tạo của pin và các đặc tính kỹ thuật của pin quang điện (Solar battery 5 Cells Voltage U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A)

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 2 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

5 Các giả thuyết của đề tài

- Nghiên cứu thuyết miền năng lượng, chất bán dẫn, hiện tượng quang dẫn, các đặc trưng điện của pin quang điện Từ đó xem xét cấu tạo, đặc tính kỹ thuật của pin quang điện (Solar battery 5 Cells Voltage U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current

IK < 0,32A)

6 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về pin quang điện, đặc biệt là các thông số đặc trưng của pin quang điện

- Khảo sát đặc tính kỹ thuật của pin quang điện (Solar battery 5 Cells Voltage

U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A) trong phòng thí nghiệm

7 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: thuyết miền năng lượng, chất bán dẫn, hiện tượng quang

điện, pin quang điện

- Phương pháp thực nghiệm: khảo sát đặc tính kỹ thuật của pin quang điện (Solar

battery 5 Cells Voltage U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A) trong

phòng thí nghiệm

8 Các giai đoạn thực hiện đề tài

- Giai đoạn 1: Trao đổi với thầy hướng dẫn về tài liệu nghiên cứu, nhận đề tài

- Giai đoạn 2: Viết đề cương, lập kế hoạch thực hiện đề tài

- Giai đoạn 3: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, thu nhập tài liệu tham khảo

- Giai đoạn 4: Nghiên cứu và lắp ráp mạch thực hành

- Giai đoạn 5: Tiến hành đo đạc lấy số liệu

- Giai đoạn 6: Phân tích số liệu đo được

- Giai đoạn 7: Hoàn chỉnh đề tài báo cáo thử

- Giai đoạn 8: Bảo vệ luận văn

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 3 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

từ cuộc khủng hoảng dầu lửa năm 1973, các hoạt động nghiên cứu hoàn thiện công nghệ pin Mặt Trời đã phát triển mạnh mẽ Hiện nay, sản xuất pin Mặt Trời đã trở thành một trong các ngành công nghiệp quan trọng ở nhiều nước công nghiệp phát triển trên thế giới

Trước khi nghiên cứu tới cấu tạo và các đặc tính kỹ thuật của pin quang điện ta đi

nghiên cứu một số lý thuyết có liên quan đến các đặc trưng của pin quang điện

CHƯƠNG 1 THUYẾT MIỀN NĂNG LƯỢNG

Cấu trúc miền của các tinh thể (các vật rắn) là cơ sở của phần lớn các quan niệm hiện đại về các cơ chế của những hiện tượng khác trong các chất cách điện (điện môi), các chất bán dẫn điện và các chất dẫn điện (các kim loại)

Trong kim loại, sau khi tạo thành mạng tinh thể, từ các nguyên tử của kim loại dứt

ra các electron liên kết yếu hơn với nguyên tử Các electron này trở thành các electron tự

do Xuất phát từ quan niệm về electron tự do, Đrútđơ và Lorent đã hoàn chỉnh thuyết electron cổ điển Thuyết này giúp ta giải thích được tính dẫn điện của kim loại, nguyên nhân của điện trở, bản chất của nhiệt dung, độ dẫn điện, độ tự cảm và điện động lực học của kim loại… Nhưng những gì mà thuyết electron mang lại chưa thật hoàn hảo Nó không giúp ta giải thích được sự khác biệt giữa kim loại, bán kim loại, bán dẫn và chất cách điện, sự xuất hiện của hằng số Hall và nhiều tính chất khác Điều này làm nảy sinh yêu cầu cần có một lý thuyết mới chặt chẽ hơn

Người ta thấy rằng các electron trong tinh thể phân bố theo miền năng lượng

- Miền hóa trị: là miền năng lượng thấp nhất của các electron hóa trị

- Miền dẫn: là miền năng lượng cao hơn miền hóa trị Các electron trong miền này có thể

tham gia vào sự dẫn điện

- Miền cấm: là miền năng lượng nằm giữa đỉnh miền hóa trị và đáy miền dẫn Năng

lượng của electron không nằm trong miền này

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 4 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Hình 1.1 Các miền năng lượng của electron trong vật rắn

Một điện tử muốn tham gia vào thành phần dòng điện phải trở thành điện tử tự do, nghĩa là nó phải có đủ năng lượng nhảy từ miền hóa trị vượt qua miền cấm lên miền dẫn

Từ thuyết miền năng lượng, ta sẽ giải thích sự dẫn điện của kim loại, chất bán dẫn, điện môi

1 TRONG KIM LOẠI:

Trong kim loại không có miền cấm, miền dẫn và miền hóa trị chồng lên nhau

Hình 1.2 Các miền năng lượng của electron trong kim loại

Ngay ở nhiệt độ thường, các electron hóa trị dễ dàng di chuyển đến mức năng lượng cao hơn, rồi tới mức năng lượng cao hơn nữa từ miền dẫn lên miền hóa trị và trở thành electron tự do Số lượng electron tự do rất lớn Do đó kim loại dẫn điện rất tốt

2 TRONG ĐIỆN MÔI:

Miền cấm rộng cỡ 3eV trở lên Các electron hóa trị tạo nên liên kết chặt chẽ giữa các nguyên tử cạnh nhau Các liên kết này khó bị đứt nên khó tạo thành electron tự do

Theo thuyết miền năng lượng, tất cả các mức trong miền hóa trị đều bị chiếm, tất

cả các mức trong miền dẫn còn trống

Hình 1.3 Các mức năng lượng của electron trong điện môi

Miền dẫn Miền cấm Miền hóa trị

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 5 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Muốn cho electron từ miền hóa trị vượt qua miền cấm đến miền dẫn thì phải cung cấp cho nó một động năng lớn Vì vậy ở nhiệt độ thường năng lượng chuyển động nhiệt không đủ để nó chuyển động lên miền dẫn Do đó ở nhiệt độ thường điện môi là chất cách điện

3 TRONG CHẤT BÁN DẪN:

Các liên kết của nguyên tử không quá chặt Do chuyển động nhiệt, các liên kết này

có thể bị đứt tạo ra electron tự do có khả năng dẫn điện gọi là electron dẫn Chỗ electron trước khi bị đứt liên kết bây giờ là chỗ trống (lỗ trống) Các electron hóa trị gần đó nhảy vào lỗ trống và lại tạo ra một lỗ trống khác Cứ như thế tiếp tục Chúng tham gia vào sự dẫn điện

Theo thuyết miền năng lượng, độ rộng của vùng cấm tương đối bé

Hình 1.4 Các mức năng lượng của electron trong bán dẫn

Do đó, ngay ở nhiệt độ thường, một số electron có đủ năng lượng chuyển động nhiệt nhảy lên miền dẫn Vị trí trước kia của electron bây giờ là lỗ trống trong miền hóa trị Dưới tác dụng của điện trường, các electron trong miền hóa trị nhảy vào lỗ trống và lại tạo ra một lỗ trống mới Đồng thời, electron và lỗ trống nhận động năng và tham gia dẫn điện Tuy nhiên, số electron nhảy từ miền hóa trị lên miền dẫn trong chất bán dẫn ít hơn trong kim loại nên chất bán dẫn dẫn điện yếu hơn kim loại

Một tính chất có tầm quan trọng trong thực tiễn của các chất bán dẫn là hưởng ứng của chúng đối với ánh sáng Các photon của ánh sáng với năng lượng lượng tử hv > Eg có thể kích thích các electron lên miền dẫn khi chúng bị hấp thụ do các va chạm quang điện

Khi năng lượng của vật rắn tăng lên, chiều rộng của miền được phép (miền dẫn, miền hóa trị) tăng lên, còn chiều rộng của miền cấm giảm đi Do đó tính dẫn điện của kim loại, chất bán dẫn tăng khi nhiệt độ tăng Đặc điểm nổi bật của chất bán dẫn là điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng

Muốn cho electron chuyển từ miền hóa trị lên miền dẫn phải cung cấp cho electron một năng lượng tối thiểu bằng chiều rộng của miền cấm Để các electron di chuyển trong miền cho phép chỉ cần một năng lượng nhỏ (khoảng 10-22 eV)

Các miền năng lượng được hình thành là do bên trong vật rắn có điện trường tuần hoàn Trường này tạo nên do các nút mạng tinh thể phân bố có trật tự trong không gian.[2]

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 6 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Hình 2.1 Giản đồ mạng tinh thể bán dẫn Ge thuần

1 Điện tử và lỗ trống trong vùng hóa trị

2 Điện tử trong vùng dẫn

Trong chất bán dẫn tinh khiết, các electron và lỗ trống được tạo ra chỉ do sự đứt các liên kết Vì vậy, mật độ electron bằng với mật độ lỗ trống Dòng điện tạo ra bởi electron và lỗ trống Electron và lỗ trống được gọi là hạt mang điện cơ bản Sở dĩ, electron và lỗ trống đều là hạt mang điện cơ bản là vì:

Khi một electron nhận được năng lượng kích hoạt (năng lượng tối thiểu cần cung cấp để electron chuyển từ miền hóa trị lên miền dẫn) thì nó chuyển từ miền hóa trị lên miền dẫn Khi nó rời khỏi miền hóa trị hoàn toàn bị chiếm đầy, nó tạo thành một điện tích dương trong miền này Ta xem như miền hóa trị xuất hiện một mức năng lượng còn trống Mức năng lượng này gọi là lỗ dương (lỗ trống)

Khi electron chuyển lên miền dẫn thì các electron trong miền này thay đổi trạng thái của mình tạo thành dòng điện, gọi là sự dẫn điện bằng electron Còn sự xuất hiện lỗ trống trong miền hóa trị làm cho các electron trong miền hóa trị nhảy vào lỗ trống đó và lại tạo ra một lỗ trống tức là làm cho các electron này thay đổi trạng thái mặc dù chúng không chuyển lên miền dẫn Sự chuyển động của các electron này (hay sự chuyển động của lỗ trống theo hướng ngược lại) gọi là sự dẫn điện bằng lỗ trống

Trong tự nhiên có nhiều chất bán dẫn Các chất bán dẫn thường dùng nhất là Ge,

Si Khái niệm chất bán dẫn tinh khiết chỉ mang tính tương đối Thực tế, chúng ít nhiều có lẫn tạp chất Bởi vì một số loại tạp chất có ảnh hưởng rất mạnh lên tính dẫn điện của một chất bán dẫn.[1]

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 7 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Khi tăng nhiệt độ của tinh thể thì electron thừa này sẽ tách khỏi As trở thành electron tự do Khi đó, nguyên tử As trở thành ion dương gắn chặt vào mạng tinh thể, không tham gia dẫn điện

Hình 2.2 Giản đồ mạng tinh thể bán dẫn Ge có pha tạp chất nhóm V (As)

1 Đôno bị ion hóa

2 Điện tử thừa: dễ bức ra

Theo thuyết miền năng lượng, ở nhiệt độ thấp các nối hóa trị đều có năng lượng nằm trong miền hóa trị Chỉ có electron thừa của As có năng lượng ED nằm trong miền cấm và cách đáy miền dẫn một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0,015 eV Miền này gọi là miền tạp chất

ED = 0,015 eV

Hình 2.3 Các mức năng lượng trong chất bán dẫn loại n

Các mức năng lượng nằm trong miền tạp chất gọi là mức cho Các nguyên tử tạp chất này gọi là nguyên tử cho (đôno) Năng lượng cần thiết để lấy electron thừa ra khỏi nguyên tử nhỏ hơn năng lượng miền cấm nhiều Như vậy, ta cần năng lượng ít hơn năng lượng miền cấm để đưa các electron này lên miền dẫn Ngay ở nhiệt độ thường, các electron trong miền tạp chất dễ dàng nhảy lên miền dẫn để tham gia sự dẫn điện Tuy

1

2

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 8 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

2.2 Chất bán dẫn loại p:

Pha một lƣợng rất nhỏ In vào khối bán dẫn Ge tinh khiết Bán kính nguyên tử In gần bằng bán kính nguyên tử Ge Do In có hóa trị 3 nên để liên kết với 4 nguyên tử Ge nó phải nhận thêm 1 electron từ nguyên tử Ge kế cạnh

Hình 2.4 Giản đồ mạng tinh thể bán dẫn Ge pha tạp chất nhóm III (In)

1 Acxepto bị ion hóa

2 Lỗ trống thừa: dễ bứt ra

Ta có thể xem nhƣ In mang một lỗ trống Một electron của Ge sẽ tham gia vào liên kết nếu nhận đủ năng lƣợng cần thiết (khoảng 0,015 eV) Khi đó, tại chỗ mà nó vừa rời khỏi lại bị một electron hóa trị Ge nhảy vào chiếm chỗ tạo nên lỗ trống

Theo thuyết miền năng lƣợng, ở nhiệt độ thấp tất cả các điện tử đều có năng lƣợng trong miền hóa trị Một electron của Ge có năng lƣợng trong miền hóa trị nhƣng không tạo nối với In Giữa In và Ge này ta có một trạng thái năng lƣợng trống có năng lƣợng EA

nằm trong dãy cấm và cách đỉnh miền hóa trị một khoảng năng lƣợng nhỏ chừng 0,015

eV Miền năng lƣợng này cũng gọi là miền tạp chất Các mức năng lƣợng nằm trong miền này gọi là các mức nhận Các nguyên tử tạp chất gọi là nguyên tử nhận (acxepto)

Hình 2.5 Các mức năng lƣợng trong chất bán dẫn loại p

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 9 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Năng lượng cần thiết để lắp chỗ trống nhỏ hơn năng lượng cần thiết đưa electron vượt miền cấm

Khi tăng nhiệt độ tinh thể sẽ có một số electron trong dãy hóa trị nhận năng lượng

và vượt dãy cấm lên dãy dẫn điện Đồng thời ngay ở nhiệt độ thường các electron hóa trị của dãy hóa trị có đủ năng lượng để nhảy lên miền cấm Các quá trình này làm xuất hiện

lỗ trống trong miền hóa trị nhưng không tạo ra electron dẫn Như vậy nồng độ lỗ trống lớn hơn nồng độ electron Hạt mang điện cơ bản là lỗ trống Sự dẫn điện này gọi là sự dẫn điện bằng lỗ trống Chất bán dẫn có số lỗ trống trong dãy hóa trị nhiều hơn số electron trong dãy dẫn điện gọi là chất bán dẫn loại p

Ở gần lớp chuyển tiếp chất bán dẫn loại n xuất hiện một lớp điện tích dương và năng lượng electron ở lớp này giảm Ở chất bán dẫn loại p xuất hiện một lớp điện tích âm

và năng lượng electron của lớp này tăng

Ở gần lớp chuyển tiếp p-n mật độ điện tích đa số giảm đi, bé hơn mật độ pha tạp

Ở các vị trí cố định, điện tích của tạp chất không bị trung hòa hình thành một miền điện tích không gian cố định

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 10 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Vùng dẫn

Hình 2.6 Sơ đồ các mức năng lượng trong vùng dẫn

và vùng hóa trị trong lớp chuyển tiếp p-n

Tại gần bề mặt tiếp xúc sẽ còn lại các ion âm của nguyên tử nhận trong vùng p và ion dương của nguyên tử cho trong vùng n tạo ra một điện trường Etx tại nơi tiếp xúc chống lại sự khuếch tán của các hạt dẫn đa số nhưng lại tăng cường sự di chuyển của hạt dẫn thiểu số Etx có chiều từ n sang p

Gọi ic là dòng điện tạo nên do các hạt mang điện cơ bản (electron và lỗ trống) ic

hướng từ p sang n

Dưới tác dụng của điện trường Etx các hạt mang điện không cơ bản rơi từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp, tạo thành dòng điện ik ngược chiều với dòng điện khuếch tán ic sao cho dòng điện trung bình tổng hợp triệt tiêu

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 11 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Etx

ic

ik

Hình 2.7 Lớp chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng

Để giữ được cân bằng, thông lượng tổng cộng của lỗ trống và electron phải bằng

0 Thông lượng khuếch tán của mỗi loại phần tử tải điện của lớp chuyển tiếp p-n đúng bằng và ngược với thông lượng của mỗi phần tử tải điện do điện trường gây ra

Thông lượng tổng cộng các lỗ trống:

Thông lượng electron:

Với n: nồng độ electron;

p: nồng độ lỗ trống;

Dp:: hệ số khuếch tán của lỗ trống;

Dn: hệ số khuếch tán của electron;

µn: độ linh động của electron;

µp: độ linh động của lỗ trống;

k: hằng số Boltzmann;

EF: mức Fermi

Theo lý thuyết thống kê Fecmi_Dirac xác suất mà một trạng thái điện tử có năng lượng E

bị chiếm bởi 1 electron:

Mức Fecmi là trạng thái năng lượng mà ở đó xác suất chiếm trạng thái năng lượng bởi một electron đúng bằng 1/2

- +

p - + n

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 12 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Ev

f(EF) = 1/2

Hình 2.8 Mức Fecmi trong mô hình những mức năng lượng của lớp chuyển tiếp p-n

Độ lớn của rào điện thế phụ thuộc vào chiều của điện trường ngoài đặt vào hai

bán dẫn Ta đặt cực âm vào chất bán dẫn loại n và cực dương vào chất bán dẫn loại p

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 13 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Hàng rào thế hạ xuống tại nơi tiếp xúc nghĩa là năng lượng electron trong chất bán dẫn loại n tăng và trong chất bán dẫn loại p giảm Như vậy có nhiều hạt mang điện cơ bản vượt qua nên rào thế dòng ic tăng trong khi ik không thay đổi

Dòng điện tổng cộng tại nơi tiếp xúc i = ic - ik có chiều từ p sang n, i tăng thì hiệu thế tăng

Trường hợp chiều điện trường ngoài trùng với chiều của điện trường ở lớp chuyển tiếp p-n Ta đặt cực âm vào chất bán dẫn loại p và cực dương vào chất bán dẫn loại n (phân cực thuận) Electron trong bán dẫn loại n và lỗ trống trong bán dẫn p bị “hút” lại phía điện cực, khiến cho tại bờ miền điện tích không gian xuất hiện những ion mới lấn sâu vào bán dẫn n và p Độ cao hàng rào thế tăng lên và dòng điện không thể đi qua lớp tiếp xúc được Dòng điện đi qua lớp tiếp xúc chỉ còn dòng ik rất bé Dòng điện tổng cộng

i có chiều từ p sang n và không phụ thuộc vào thế

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 14 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Trước tiên người ta dùng một thân Si-n+ (nghĩa là pha khá nhiều phân tử cho)

Trên thân này người ta phủ một lớp cách điện SiO2 và một lớp vecni nhạy sáng

Xong, người ta đặt lên lớp vecni một mặt nạ lỗ trống rồi dùng một bức xạ để chiếu lên mặt nạ Vùng vecni bị chiếu sáng có thể rửa được bằng một loại axit và chừa ra một phần Si-n+ Phần còn lại vẫn được phủ vecni

Xuyên qua phần không phủ vecni, người ta cho khuếch tán các nguyên tử acxepto vào thân Si-n+, để biến một vùng của thân này thành Si-p Sau cùng, người ta phủ kim loại lên các vùng p và n+ và hàn dây nối ra ngoài Ta được một nối p-n có mặt nối giữa vùng p và n+ thẳng.[3]

- +

p - + n

- +

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 15 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

CHƯƠNG 3 HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

(HIỆN TƯỢNG QUANG DẪN)

Hiệu ứng quang điện được Héc phát hiện ra đầu tiên năm 1887, sau đó việc nghiên

cứu chi tiết hiện tượng đã được Xtô-lê-tốp (Stoletov) tiến hành vào những năm 1888 –

1889, rồi đến Lê-na (Lénard) năm 1889-1902 và nhiều nhà thực nghiệm khác vào những

năm 90 của thế kỉ XIX Đến đầu thế kỉ XX các định luật quang điện đã được thiết lập

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử được

thoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường) sau khi hấp

thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sáng trạng thái kích

thích làm bắn electron ra ngoài.[6]

1 HIỆN TƯỢNG

Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn

một tần số ngưỡng (tần số ngưỡng này là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm kim loại

này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và bật ra khỏi bề mặt kim loại Khi

các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài

(external photoelectric effect)

Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên 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 (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiệu ứng quang

điện trong (external photoelectric effect) Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất

dẫn điện của vật dẫn Do đó, người ta còn gọi hiện tượng này là hiện tượng quang dẫn

Khi chiếu các bức xạ điện từ vào các chất bán dẫn, nếu năng lượng của photon đủ

lớn và 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

(độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên do chiếu sáng) Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra

các cặp điện tử - lỗ trống cũng làm thay đổi cơ bản tính chất điện của bán dẫn Hiệu ứng

này được sử dụng trong photodiode, phototransitor, pin quang điện,

2 CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN VÀ GIẢI THÍCH

2.1 Các định luật quang điện

Định luật I:

Đối với mỗi kim loại xác định, hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng λ

của chùm ánh sáng chiếu tới nó nhỏ hơn một giá trị xác định λ0 gọi là “giới hạn quang

điện” của kim loại đó

λ < λ0

Giới hạn quang điện λ0 phụthuộc vào bản chất kim loại được chiếu sáng, ngoài ra

nó còn phụ thuộc vào trạng thái mặt ngoài của kim loại đó Nếu chùm ánh sáng tới có

bước sóng không thích hợp ( λ > λ0) thì nó không thể gây ra hiện tượng quang điện

Định luật II:

Cường độ dòng điện bão hòa Ibh (nghĩa là số electron được giải phóng ra khỏi

kim loại trong một đơn vị thời gian) tăng tỉ lệ thuận với cường độ sáng của chùm sáng

chiếu tới kim loại

Định luật III:

Động năng cực đại của các quang electron tăng tỉ lệ với tần số f của chùm ánh

sáng chiếu tới nó và không phụ thuộc vào cường độ sáng của chùm ánh sáng đó

2.2 Giải thích các định luật quang điện

Theo thuyết sóng (thuyết điện tử về ánh sáng):

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 16 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Theo thuyết điện tử về ánh sáng, năng lượng ánh sáng được truyền đi liên tục theo sóng ánh sáng và cường độ ánh sáng càng lớn thì năng lượng ánh sáng mang theo càng nhiều Như vậy, dù ánh sáng có bước sóng lớn như thế nào đi nữa, nhưng nếu có cường độ lớn thì nó sẽ cung cấp được nhiều năng lượng cho electron và do đó sẽ giải phóng được electron khỏi kim loại Vì thế thuyết sóng không thể giải thích được vì sao có

“giới hạn quang điện”, cũng như không thể giải thích được tại sao có động năng cực đại ban đầu của các quang electron Hơn nữa, theo thuyết điện tử về ánh sáng, từ khi ánh sáng rọi tới kim loại đến khi có các quang electron đầu tiên xuất hiện phải mất một khoảng thời gian mấy chục phút Nhưng thí nghiệm chứng tỏ là thời gian đó rất bé (không quá 10-9s) Đó là những bất lực của thuyết điện tử về ánh sáng trong việc giải thích hiện tượng quang điện

Theo thuyết lượng tử năng lượng của Plăng:

Năm 1990, Plăng đã giả thuyết: Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng hv; trong đó v là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra; còn h là một hằng số

Theo thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein (Anhxtanh) (1905):

Dựa vào thuyết lượng tử năng lượng của Plăng, Albert Einstein đã phát triển thành thuyết lượng tử ánh sáng (hay còn gọi là thuyết phôtôn) để lý giải hiện tượng quang điện Nội dung cơ bản như sau:

Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn Mỗi phôtôn có tần số sẽ tương ứng với một lượng tử năng lượng có năng lượng ( là tần số của sóng ánh sáng tương ứng

với phôtôn đó; h là hằng số Planck và có giá trị ) Cường độ chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn trong một giây

Phân tử, nguyên tử, electron phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa

là chúng hấp thụ hay phát xạ phôtôn

Các phôtôn chuyển động với vận tốc c = 3.108 m/s trong chân không

Năng lượng mà điện tử hấp thụ được sẽ được dùng cho 2 việc:

- Thoát ra khỏi liên kết với bề mặt kim loại (vượt qua công thoát )

- Cung cấp cho điện tử một động năng ban đầu Ek max=

Như vậy, theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có thể viết phương trình:

hf= + Ek max

Do động năng luôn mang giá trị dương, do đó, hiệu ứng này chỉ xảy ra khi:

hf hf0

Có nghĩa là hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi f f 0

f 0 = /h chính là giới hạn quang điện của kim loại

3 HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG HAI MỨC NĂNG LƯỢNG

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1 và E2 trong đó E1 > E2 như hình 3.1a Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi chiếu sáng hệ thống,

lượng tử ánh sáng - photon - có năng lượng hv (h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng)

bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2 Phương trình cân bằng năng lượng

có dạng:

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của các hạt tinh thể lên điện tử vành ngoài,

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 17 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi trạng thái

cân bằng gọi là vùng hóa trị mà bờ trên của nó có năng lượng E v Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bờ dưới của

vùng năng lượng là E c Cách ly giữa hai vùng giá trị và vùng dẫn là một vùng cấm có độ

rộng năng lượng E g, trong đó không có năng lượng cho phép nào của điện tử (hình3.1b) Khi chiếu sáng vật rắn có cấu trúc vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng

hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ 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 nguyên tố, kí hiệu h +

Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hình 3.1 Các quá trình lượng tử trong hệ hai mức (a) và hai vùng năng lượng (b)

Điều kiện để phân tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là Từ đó có thể tính được bước sóng λc của ánh sáng để có thể tạo cặp

Trong đó năng lượng được tính bằng eV

Trong thực tế hạt dẫn kích thích đều tự phát tham gia quá trình “ hồi phục”, chuyển động tới bờ của các vùng năng lượng điện tử giải phóng năng lượng để chuyển động tới bờ vùng dẫn , còn lỗ trống tới bờ (hình 3.1b) Quá trình hồi phục xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 ÷ 10-1 giây và gây ra dao động mạnh Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là:

Tóm lại, khi chiếu sáng vật rắn, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon

hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống , tức là đã tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong

4 HIỆU SUẤT CỦA QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI QUANG ĐIỆN

Vùng hóa trị

hv Ec

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 18 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Ta có thể xác định được giới hạn lý thuyết của hiệu suất η biến đổi năng lượng quang điện của hệ thống hai mức:

∫

∫ [ ] Trong đó J0 (λ) là mật độ photon có bước sóng λ; J0(λ)dλ là tổng số photon tới bước sóng trong khoảng λ λ + dλ; là năng lượng của photon Tử số của (3.3) là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình quang điện còn mẫu số là tổng năng lượng của các photon tới hệ Như vậy, η là một hàm số của Eg (Vì cũng là hàm số của

Năng lượng tổn hao trong quá trình biến đổi quang điện do hai nguyên nhân:

- Các photon có năng lượng hv < Eg hay không bị điện tử hấp thụ để tạo cặp

3

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 19 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Đối với bán dẫn silicon Si, Eg = 1,16 eV, tính toán cho thấy 23% mất mát năng lượng do photon truyền qua, 33% bị mất do quá trình hồi phục của và tới các bờ vùng Ec và Ev như được chỉ ra trên hình 3.3 Như vậy, đối với quá trình quang điện trên vật liệu Si thì η 0,04

5 SỰ TẠO THÀNH HÀNG RÀO THẾ NĂNG

Từ trên ta thấy rằng khi được chiếu sáng trong vật rắn có thể tạo ra các cặp điện từ

và lỗ trống và liên kết yếu với nhau Để có thể tạo ra dòng điện, trước hết cần tách và khỏi liên kết cặp và sau đó bắt chúng chuyển động có hướng Hiệu ứng này có thể thực hiện nhờ một điện trường E nào đó, ví dụ như sử dụng điện trường định

xứ trên lớp tiếp xúc pn giữa hai loại bán dẫn

Hình 3.4 là các sơ đồ vùng năng lượng của hai loại bán dẫn p và n Trong bán dẫn loại n, mật độ hạt dẫn điện tử nn rất lớn hơn mật độ lỗ trống pn (nn >> pn) Vì vậy người ta gọi hạt điện tử là hạt dẫn cơ bản, còn lỗ trống gọi là hạt dẫn không cơ bản Một cách gần đúng thì mật độ điện tử nn gần bằng mật độ tạp chất nguyên tử Donor ND được pha vào bán dẫn tinh khiết Còn trong bán dẫn loại p, lỗ trống lại là hạt dẫn cơ bản Mật độ lỗ trống pp lại rất lớn hơn mật độ electron np, pp>> np độ dẫn điện chủ yếu do lỗ trống có mật độ pp, nó gần bằng mật độ nguyên tử tạp chất Acceptor NA được pha vào bán dẫn tinh khiết

Hình 3.4 Bán dẫn loại n và p trước khi tiếp Hình 3.5 Sự tạo thành lớp tiếp bán dẫn pn xúc (electron ký hiệu bằng chấm đen, lỗ

trống – vòng tròn nhỏ)

Về mặt năng lượng, sự pha các tạp chất Donor và Acceptor vào bán dẫn tinh khiết

đã làm xuất hiện các mức năng lượng tạp chất trong vùng cấm: các mức tạp Donor nằm sát dưới đáy vùng dẫn Ec trong bán dẫn loại n, được biểu thị bằng các dấu “+” trong hình 3.4 Ngược lại, các mức tạp Acceptor lại nằm sát đỉnh vùng hóa trị trong bán dẫn loại p

và được biểu thị bằng dấu “-”

Khi cho các bán dẫn n và p tiếp xúc nhau, tạo ra một tiếp xúc điện tử pn, do chênh

lệch về mật độ hạt dẫn, các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang bán dẫn p, còn lỗ

+ + + +

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 20 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

trống thì khuếch tán ngược lại Sự khuếch tán này làm cho phía bán dẫn n sát với lớp tiếp xúc điện dương, còn phía bán dẫn p đối diện tích điện âm Trong miền tiếp xúc hình

thành một điện trường tiếp xúc hướng từ bán dẫn n sang p ngăn cản các quá trình khuếch

tán của điện tử và lỗ trống Sự hình thành điện trường tiếp xúc dẫn đến sự tạo ra một hàng rào thế năng như hình 3.5 ngăn sự khuếch tán của các hạt tải điện cơ bản qua lớp tiếp xúc Khi đạt trạng thái cân bằng, điện trường và hiệu điện thế tiếp xúc sẽ đạt giá trị

ổn định phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của miền tiếp xúc và có thể biểu diễn bằng công thức sau:

Ở trạng thái cân bằng, độ cao hàng rào thế VD = qUtx có giá trị gần bằng độ rộng vùng cấm Eg của vật liệu và điện trường tiếp xúc có giá trị khoảng Etx V/cm3 Độ dày của lớp tiếp xúc W được xác định theo công thức:

√

Trong đó Wn, Wp là các độ dày miền tiếp xúc ở phía bán dẫn n và p, và là hằng số điện và hằng số điện môi của bán dẫn Giá trị điển hình của W vào khoảng 0.1 ÷ 1 µm Chú ý rằng, điện trường và điện thế tiếp xúc chỉ tồn tại trong miền tiếp xúc Ngoài miền tiếp xúc tính chất của vật liệu không bị thay đổi

Ở vùng tiếp xúc, các hạt dẫn điện tự do đã bị làm nghèo do quá trình tái hợp và quá trình khuếch tán của các hạt dẫn Vì vậy điện trở của miền tiếp xúc khá lớn

6 TÍNH CHỈNH LƯU CỦA LỚP TIẾP XÚC BÁN DẪN

Ta xét tính chất của lớp tiếp xúc khi chưa được chiếu sáng

Đặt một nguồn thế ngoài vào một lớp tiếp xúc pn và nghiên cứu sự phụ thuộc của dòng điện qua lớp tiếp xúc vào hiệu điện thế đặt vào nó như hình 3.6

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 21 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Trước hết ta xét trường hợp nguồn thế ngoài phân cực ngược lớp tiếp xúc pn, cực

dương của nguồn ngoài đặt vào bán dẫn n, cực âm vào bán dẫn p (hình 3.6a) Khi đó,

điện trường ngoài E0 và điện trường tiếp xúc Etx cùng chiều Lúc này điện trường tổng

hợp E = Etx + E0 trên miền tiếp xúc rất lớn, hàng rào thế năng ở lớp tiếp xúc bị nâng cao

lên, do vậy nó càng ngăn không cho dòng các hạt tải điện cơ bản qua lớp tiếp xúc Ở

trạng thái này, mặc dù dòng các hạt tải không cơ bản được gia tốc mạnh, nhưng do mật

độ nhỏ nên các dòng hạt cơ bản nhanh chóng đạt tới bão hòa có giá trị rất nhỏ Is

Đổi phân cực nguồn ngoài, tức là phân cực thuận lớp tiếp xúc pn (cực dương của

nguồn thế ngoài vào bán dẫn p, cực âm vào bán dẫn n) Khi đó điện trường ngoài và điện

trường tiếp xúc ngược chiều nhau, nên điện trường tổng hợp E = E0 Etx < Etx Kết quả

là hàng rào thế ở miền tiếp xúc giảm hoặc bị khử hoàn toàn, dòng các hạt tải điện có mật

độ lớn qua lớp tiếp xúc tăng rất nhanh (theo định luật hàm số mũ – công thức 3.5) theo

hiệu điện thế ngoài Hình 3.7 cho thấy hàng rào thế năng của các hạt cơ bản ở miền tiếp

xúc khi nó bị phân cực ngược và phân cực thuận

Hình 3.8 cho đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của dòng điện qua lớp tiếp xúc

pn vào hiệu điện thế ngoài đặt vào nó khi lớp tiếp xúc không bị chiếu sáng và khi được

chiếu sáng Đường cong tiếp xúc không được chiếu sáng được gọi là đường đặc trưng tối

von – ampe (VA) của lớp tiếp xúc và nó được mô tả bằng phương trình diot bán dẫn thông

thường

[

]

Trong công thức (3.5) Id là dòng qua lớp tiếp xúc pn;

Is là dòng điện ngược bão hòa;

V là hiệu điện thế đặt vào lớp tiếp xúc pn;

k là hằng số Boltzmann;

T là nhiệt độ của lớp tiếp xúc pn;

q là điện tích của điện tử

Dòng điện ngược bão hòa Is phụ thuộc vào mật độ các hạt tải không cơ bản np, pn

vào độ khuếch tán Ln, Lp và thời gian sống τn, τp của chúng theo biểu thức sau:

*( ) ( )+

Tóm lại, ở trạng thái không chiếu sáng, lớp tiếp xúc pn là một phần tử thụ động,

không tạo ra năng lượng và có tính chất chỉnh lưu, chỉ cho dòng điện qua khi phân cực

thuận nó Đường đặc trưng von – ampe tối là đường đặc trưng của diot bán dẫn thông

thường

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 22 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Hình 3.7 Hàng rào thế năng ở lớp tiếp xúc pn khi phân cực thuận và phân cực ngược

7 ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG VA SÁNG – SỰ TẠO DÒNG QUANG ĐIỆN

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 23 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Chiếu sáng tiếp xúc pn Dưới tác dụng của ánh sáng, các cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, và do tác dụng của điện trường tiếp xúc Etx nên các cặp bị tách ra và bị

gia tốc về các phía đối diện và tạo ra một suất điện động quang điện Nếu nối các đầu bán dẫn loại p và n bằng một dây dẫn thì trong dây có một dòng điện – gọi là dòng quang

điện – và có thể cho ở mạch ngoài một công suất hữu ích Suất điện động quang điện xuất

hiện trong lớp tiếp xúc pn khi chiếu sáng nó, phụ thuộc vào các bán dẫn, vào nhiệt độ lớp tiếp xúc và vào bước sóng và cường độ ánh sáng tới

Hiện tượng xuất hiện suất điện động quang điện trên lớp tiếp xúc bán dẫn pn khi chiếu sáng được gọi hiệu ứng quang điện bên trong (phân biệt với hiệu ứng quang điện ngoài là hiện tượng các điện tử thoát khỏi bề mặt kim loại khi chiếu ánh sáng thích hợp vào bán dẫn bè mặt kim loại)

Cần chú ý rằng, chỉ có cặp được tạo ra ở miền tiếp xúc hoặc cách bờ miền tiếp xúc một khoảng LD được gọi là độ dài khuếch tán trung bình của cặp

(hình 3.9) thì mới bị điện trường tiếp xúc tách ra và tạo ra dòng quang điện LD là hàm của hai tham số: độ linh động của hạt điện µ (tốc độ chuyển động/một đơn vị điện trường) và thời gian sống trung bình τ của cặp trước khi bị tái hợp:

( ) ( ) ( ) Với đại lượng , q là điện tích nguyên tố, gọi là hệ số khuếch tán hạt dẫn

Hình 3.9 Sự tạo thành dòng quang điện.[4]

Như vậy dòng quang điện Iph tỷ lệ số photon bị hấp thụ và được biểu diễn bởi (3.7):

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 24 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

∫ Trong đó K là một hệ số và được gọi là hiệu suất góp của lớp tiếp xúc, nó có giá trị cực đại bằng 1 Người ta cũng có thể viết:

∫

Ở đây Nph là số các cặp được tạo ra trong giới hạn bước sóng λc Khi cho K=1, Nph và do đó Iph là hàm số của Eg (thông qua λc) và được biểu diễn trong hình 3.10

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 25 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Đường đặc trưng I=f(V) theo (3.9) gọi là đặc trưng sáng VA của lớp tiếp xúc bán dẫn pn (đường 2 trong hình 3.8) Từ đó có thể thấy là đường đặc trưng sáng VA của lớp tiếp xúc

pn có thể suy ra từ đường đặc trưng VA tối của nó bằng cách tịnh tiến theo trục OI trên

hệ trục tọa độ OIV một giá trị bằng dòng Iph.[4]

CHƯƠNG 4 PIN QUANG ĐIỆN

Pin quang điện (hay pin Mặt Trời, tế bào quang điện) là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p – n dưới sự hiện diện của ánh sáng Mặt Trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được.[5]

1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN QUANG ĐIỆN

1.1 Cấu tạo của pin quang điện

Cấu tạo của pin là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt Trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong

Hình 4.1 Cấu tạo của pin quang điện.[5]

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể Pin quang điện từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Pin mặt trời đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16% Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

Đa tinh thể làm từ các thỏi 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, từ 8% - 11% Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 26 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại

Hình 4.2 Các loại cấu trúc tinh thể của pin quang điện.[5]

Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic có thể kết hợp với silicon khác để tạo nên chất rắn Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, đa hình thù (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều) Pin quang điện phổ biến nhất dùng đa tinh thể silicon

Silic là chất bán dẫn Tức là thể rắn silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được Các tầng năng lượng không được phép này xem là tầng trống Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử

Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém Để tạo ra silic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là một silic

Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm

V (phốt pho, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative) Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p

Các tinh thể silic (Si) hay gali asenua (GaAs) là các vật liệu được sử dụng làm pin quang điện Gali asenua đặc biệt tạo nên để dùng cho pin quang điện, tuy nhiên thỏi tinh

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 27 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

thể silic cũng có thể dùng được với giá thành thấp hơn, sản xuất chủ yếu để tiêu thụ trong công nghiệp vi điện tử Đa tinh thể silic có hiệu quả kém hơn nhưng giá tiền cũng thấp hơn Khi để trực tiếp dưới ánh sáng Mặt Trời, một pin silic có đường kính 6 cm có thể sản xuất dòng điện khoảng 0,5 ampe ở 0,5 volt

Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật trong quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫn truyền đặt vào một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng mặt trời, và mặt phẳng trên mặt còn lại Tấm năng lượng mặt trời tạo thành từ các pin như vậy cắt theo hình dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằng các miếng gương, dán vào chất nền Sự liền mạch được tạo nên thành các dãy song song để quyết định năng lượng tạo ra Chất keo và chất nền phải có tính dẫn nhiệt, vì khi các pin được làm nóng khi hấp thụ năng lượng hồng ngoại, vốn không thể chuyển hóa thành năng lượng Một khi các pin bị làm nóng thì giảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng

1.2 Nguyên lý hoạt động của pin quang điện

Hình 4.3 Nguyên lý hoạt động của pin quang điện.[5]

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Planck và v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2

Phương trình cân bằng năng lượng:

hv = E2 – E1

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài, nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 28 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng Ev Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng

có năng lượng là Ec, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hv tới hệ thống, bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-

, lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+

) Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hình 4.4 Các vùng năng lượng.[4]

Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon

hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống , tức là tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong Nguyên lý hoạt động của pin chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n

2 CÁC ĐẶC TRƯNG ĐIỆN CỦA PIN MẶT TRỜI

2.1 Sơ đồ tương đương

Như đã trình bày thì ta có thể thấy, khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn pn bằng một dây dẫn, thì pin phát ra một dòng quang điện Iph Vì vậy pin quang điện có thể xem như một nguồn dòng

Lớp tiếp xúc bán dẫn pn có tính chỉnh lưu tương đương một một diot Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn nên vẫn có một dòng điện (gọi là dòng dò) qua nó Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc pn người ta đưa vào đại lượng điện trở sơn Rsh (shun)

Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các tiếp xúc, … Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một điện trở

R, nối tiếp trong mạch (có thể coi là điện trở trong của pin mặt trời)

Vậy một pin Mặt Trời được chiếu sáng có sơ đồ điện tương đương như hình 4.5

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 29 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

a) b)

Hình 4.5 Sơ đồ tương đương của pin quang điện (a) và đường đặc trưng của pin quang điện (b).[4]

Từ sơ đồ ta có thể dễ dàng viết được phương trình đặc trưng sáng von – ampe của pin Mặt Trời như sau:

*

Trong đó:

Iph là dòng quang điện (A/m2

);

Id là dòng qua điot (A/m2

);

Is là dòng bão hòa (A/m2);

n được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ chế tạo pin Mặt Trời Gần đúng có thể lấy n = 1;

Rs là điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin Mặt Trời (Ω/m2);

Rsh là điện trở sơn (điện trở dò) (Ω/m2);

q là điện tích của điện tử (C)

Thông thường điện trở shun Rsh rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số hạng cuối trong biểu thức (4.1) Đường đặc trưng sáng von – ampe của pin Mặt Trời cho bởi biểu thức có dạng như đường cong trong hình 4.5 Có 3 điểm quan trọng trên đường đặc trưng này:

GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 30 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Ở các điều kiện chiếu sáng bình thường (không có hội tụ) thì hiệu ứng điện trở nối tiếp Rs có thể bỏ qua, và ID = 0 và do đó từ (4.2) suy ra:

ISC = Iph = αE (4.3)

Trong đó: E là cường độ sáng, α là hệ số tỷ lệ Ở điều kiện bình thường, dòng đoản mạch ISC của pin Mặt Trời tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Hình 4.6 cho thấy các đường đặc trưng VA của pin Mặt Trời phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng Với pin Mặt Trời tinh thể Si, ISC 30 mA/cm2

khi cường độ bức xạ tới E0 = 1000 W/m2 và ở nhiệt độ T = 250C Đường chấm chấm là đường nối các điểm làm việc tối ưu có công suất cực đại ở các cường độ bức xạ khác nhau

2.3 Thế hở mạch V OC

Thế hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của của pin Mặt Trời

hở (R = ) Khi đó dòng mạch ngoài I = 0 Đặt giá trị đó của dòng mạch ngoài vào (4.2)

và giả thuyết Rsh rất lớn ta được biểu thức xác định VOC như sau:

[

] [

]

]