khảo sát pin mặt trời sử dụng bộ giao tiếp cobra3 unit

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

KHẢO SÁT PIN MẶT TRỜI SỬ DỤNG BỘ GIAO TIẾP COBRA3-UNIT

Luận văn tốt nghiệp

Ngành : SƯ PHẠM VẬT LÝ

Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện:

LỜI CẢM ƠN

Để thực hiện được một luận văn tốt nghiệp, phần lớn sinh viên đều vướng phải những

khó khăn nhất định Do đó, khi đề tài luận văn “Khảo sát pin Mặt Trời sử dụng bộ giao tiếp

Cobar3 Unit” được hoàn thành, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến thầy Vương Tấn Sĩ – người Thầy đã hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình em thực hiện đề tài

Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy, Cô trong Bộ môn SP Vật lý đã truyền đạt những kiến thức quý báu tạo nền tảng giúp em có thể thực hiện luận văn cũng như những lời góp

ý chân thành giúp em hoàn chỉnh đề tài

Và xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn đã quan tâm, cổ vũ động viên, hỗ trợ giúp tôi hoàn thành đề tài

Do kiến thức và thời gian có hạn nên luận văn tốt nghiệp không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ dẫn thêm của Thầy, Cô và sự góp ý của các bạn để luận văn hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

Cần Thơ, ngày 18 tháng 05 năm 2015

Nguyễn Văn Mừng

LỜI CAM ĐOAN

Em 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 18 tháng 05 năm 2015

Nguyễn Văn Mừng

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit

MỤC LỤC

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Mục lục

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 1

3 Phương pháp nghiên cứu 1

4 Giới hạn của đề tài 1

5 Các bước thực hiện đề tài 2

PHẦN LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: ÁNH SÁNG 1.1 Sơ lược về bản chất ánh sáng 3

1.1.1.Thuyết hạt về ánh sáng 3

1.1.2.Thuyết sóng ánh sáng 4

1.1.3 Thuyết lượng tử ánh sáng 4

1.2 Những đại lượng trắc quang và đơn vị của nó 5

1.2.1 Những đại lượng trắc quang 5

1.2.1.1 Quang thông 5

1.2.1.2 Cường độ sáng .6

1.2.1.3 Độ trưng .7

1.2.1.4 Độ rọi 7

1.2.1.5 Độ chói 8

1.2.2 Đơn vị đo các đại lượng trắc quang 10

1.2.2.1 Đơn vị cường độ sáng 10

1.2.2.2 Đơn vị quang thông 10

1.2.2.3 Đơn vị độ rọi 10

1.2.2.4 Đơn vị độ trưng 10

1.2.2.5 Đơn vị độ chói 11

CHƯƠNG II: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1 Năng lượng bức xạ Mặt Trời 12

2.1.1 Mặt Trời, cấu tạo của Mặt Trời 12

2.1.2 Bức xạ Mặt Trời 14

2.1.3 Phổ bức xạ Mặt Trời 14

2.1.3.1 Thành phần bức xạ Mặt Trời 16

2.1.3.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến bức xạ nhận được trên mặt đất 17

2.1.3.3 Năng lượng bức xạ ở Việt Nam 17

CHƯƠNG III: PIN MẶT TRỜI 3.1 Lịch sử phát triển của pin Mặt Trời 22

3.2 Hiệu ứng quang điện 22

3.2.1 Hiện tượng 22

3.2.2 Các định luật quang điện 23

3.2.2.1 Đường đặc trưng vôn-ampe 23

3.2.2.2 Định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa 24

3.2.3 Giải thích các định luật quang điện 24

3.3 Chất bán dẫn 25

3.3.1 Tổng quát về chất bán dẫn 25

3.3.2 Chất bán dẫn điện thuần 27

3.3.3 Chất bán dẫn ngoại lai hay có chất pha 29

3.3.3.1 Chất bán dẫn loại n 29

3.3.3.2 Chất bán dẫn loại p 30

3.3.3.3 Chất bán dẫn hỗn hợp 32

3.3.3.3.1 Lớp chuyển tiếp p-n 32

3.3.3.3.2 Dẫn suất của chất bán dẫn 35

3.3.3.3.3 Hiện tượng quang điện trong của bán dẫn 36

3.3.3.3.4 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện 37

3.3.3.3.5 Quá trình tải điện trong chất bán dẫn 38

3.4 Pin mặt Trời 39

3.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời 39

3.4.1.1 Đơn tinh thể module 39

3.4.1.2 Đa tinh thể từ các thỏi đúc 39

3.4.1.3 Dải Si 40

3.4.2 Công nghệ chế tạo pin Mặt Trời từ tinh thể Si 40

3.4.2.1 Sơ lọc thạch anh để có Silicon có độ sạch kỹ thuật 41

3.4.2.2 Làm sạch tiếp để có silicon có độ sạch bán dẫn 41

3.4.2.3 Tạo đơn tinh thể Si 41

3.4.2.4 Cắt thỏi Si đơn tinh thể thành các phiến Si 43

3.4.2.5 Tạo lớp tiếp xúc p-n 45

3.4.2.6 Tạo lớp tiếp xúc Ohmic 47

3.4.2.7 Phủ lớp chống phản xạ ánh sáng 47

3.4.2.8 Đóng gói các pin Mặt Trời thành các module 48

3.4.3 Nguyên lý của pin Mặt Trời 49

3.4.3.1 Pin Mặt Trời một mức năng lượng 49

3.4.3.2 Pin Mặt Trời nhiều mức năng lượng 50

CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG CỦA PIN MẶT TRỜI 4.1 Công nghệ tưới phun mưa bằng năng lượng Mặt Trời 53

4.2 Bộ nạp acquy bằng năng lượng Mặt Trời 54

4.3 Đèn pin năng lượng Mặt Trời 55

4.4 Radio sử dụng nguồn điện Mặt Trời 55

4.5 Bơm nước bằng năng lượng Mặt Trời 56

PHẦN THỰC HÀNH I Mục đích 57

II Cơ sở lý thuyết 57

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit

III Thiết bị thí nghiệm 58

1 Thiết bị 58

2 Bố trí thí nghiệm 59

IV Thực hiện thí nghiệm 61

A Khảo sát đặc tuyến Ps= f (Rt) theo khoảng cách, cùng công suất Pd= 3(w) và Ud= 6 (V) 61

1 Trường hợp d= 2 (cm) 61

a Mục đích 61

b Cơ sở lý thuyết 61

c Tiến hành thí nghiệm 61

d Kết quả thí nghiệm 62

2 Trường hợp d= 3 (cm) `66

a Mục đích 66

b Cơ sở lý thuyết 66

c Tiến hành thí nghiệm 66

d Kết quả thí nghiệm 67

3 Trường hợp d= 4 (cm) 69

a Mục đích 69

b Cơ sở lý thuyết 69

c Tiến hành thí nghiệm 69

d Kết quả thí nghiệm 70

4 Trường hợp d= 6 (cm) 72

a Mục đích 72

b Cơ sở lý thuyết 72

c Tiến hành thí nghiệm 72

d Kết quả thí nghiệm 73

e Nhận xét 77

B Khảo sát đặc tuyến Ps= f (Rt) theo công suất đèn Pd, khoảng cách không đổi d= 2 (cm) 78

1 Trường hợp Pd= 3 (W) 78

a Mục đích 78

b Cơ sở lý thuyết 78

c Tiến hành thí nghiệm 78

d Kết quả thí nghiệm 78

2 Trường hợp Pd= 1,5 (W) 78

a Mục đích 78

b Cơ sở lý thuyết 78

c Tiến hành thí nghiệm 78

d Kết quả thí nghiệm 79

3 Trường hợp Pd= 1 (W) 81

a Mục đích 81

b Cơ sở lý thuyết 81

c Tiến hành thí nghiệm 81

d Kết quả thí nghiệm 82

e Nhận xét 85

C Khảo sát đặc tuyến Ps= f (Rt), góc phi thay đổi, khoảng cách không đổi d= 4 (cm), công suất đèn không đổi Pd= 3 (W) 86

1 Trường hợp = 00 86

a Mục đích 86

b Cơ sở lý thuyết 86

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit

c Tiến hành thí nghiệm 86

d Kết quả thí nghiệm 86

2 Trường hợp = 150 86

a Mục đích 86

b Cơ sở lý thuyết 86

c Tiến hành thí nghiệm 86

d Kết quả thí nghiệm 87

3 Trường hợp = 350 89

a Mục đích 89

b Cơ sở lý thuyết 89

c Tiến hành thí nghiệm 89

d Kết quả thí nghiệm 90

e Nhận xét 93

D Khảo sát đặc tuyến Ps= f (Rt) theo khoảng cách, cùng công suất đèn Pd= 3(W), Ud= 6 (V), ứng với tế bào có điện trở nội rp= 219 (Ω) 94

1 Trường hợp d= 2 (cm) 94

a Mục đích thí nghiệm 94

b Cơ sở lý thuyết 94

c Tiến hành thí nghiệm 95

d Kết quả thí nghiệm 95

2 Trường hợp d= 3 (cm) 97

a Mục đích thí nghiệm 97

b Cơ sở lý thuyết 97

c Tiến hành thí nghiệm 97

d Kết quả thí nghiệm 98

3 Trường hợp d= 4 (cm) 100

a Mục đích thí nghiệm 100

b Cơ sở lý thuyết 100

c Tiến hành thí nghiệm 100

d Kết quả thí nghiệm 101

e Nhận xét 104

E Khảo sát pin Mặt Trời dưới ánh sáng trực tiếp của Mặt Trời 105

1 Mô hình khảo sát 105

2 Tiến hành khảo sát 106

3 Kết quả khảo sát 106

4 Nhận xét 110

PHẦN KẾT LUẬN 111

TÀI LIỆU THAM KHẢO 112

PHỤ LỤC 1 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MEASURE PHYWE 113

PHỤ LỤC 2 CÁC THIẾT BỊ CỦA HÃNG PHYWE (ĐỨC) DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM 120

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit

PHẦN MỞ ĐẦU 1.LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, như ta đã biết sự ấm dần của Trái Đất đã làm cho chúng ta phải gánh

nhiều thiên tai như: mưa bão, lũ lục và hạn hán kéo dài mà thủ phạm chính là khí CO2

-.Mà CO2 sinh ra là do sự phát triển như vũ bão của nền công nghiệp trên toàn thế giới

Trong nhiều thế kỷ qua, nguồn năng lượng hóa thạch (than đá, dầu khí ).Nó đóng

vai trò quan trọng nhất, đáp ứng hơn 85% nhu cầu năng lượng cho nền công nghiệp trên

toàn thế giới, chủ yếu là điện năng, nhiệt năng và nhu cầu nhiên liệu cho động cơ hoạt

động Do đó, nguồn năng lượng này đã giữ một địa vị thống trị cho đến ngày nay

Tuy nhiên, đây là nguồn năng lượng hữu hạn, trong điều kiện khoa học kỹ thuật

phát triển như vũ bão hiện nay thì sự cạn kiệt của nguồn năng lượng hóa thạch dẫn đến sự

tranh giành những nguồn tài nguyên môi trường Trong những ngày gần đây tình hình

căn thẳng ngoài biển Đông cho ta biết sự cạn kiệt của nguồn năng lượng hóa thạch ngày

càng nghiêm trọng Trước tình hình này những ứng dụng của vật lý vào kỷ thuật không

những tạo ra những phương pháp sản xuất mới, dẫn tới năng suất lao động cao mà nhiều

khi còn thay đổi cơ bản chức năng của con người và máy móc trong quá trình sản xuất

còn đáp ứng đủ cho nhu cầu sử dụng trong nền công nghiệp trong tương lai

Trước tình hình đó, con người đã dần thay thế nguồn năng lượng hóa thạch bằng

những nguồn năng lượng khác như: nguồn năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, địa

nhiệt, ….Tuy nhiên, ta đã biết nguồn năng lượng hạt nhân hiện nay có vai trò khá là quan

trọng trong việc cung cấp điện năng cho nền công nghiệp trên toàn thế giới nhưng nó là

con dao hai lưỡi ngoài việc cung cấp nguồn năng lượng khổng lồ, mà nó còn tạo ra

những chất phóng xạ ảnh hưởng không tốt tới sức khỏe và đời sống của con người Trên

thế giới đã có những vụ nổ lò hạt nhân Nó đã gây ra những hậu quả nặng nề mà con

người phải gánh chịu Trong xu thế ngày nay, nguồn năng lượng xanh được con người

quan tâm đến vì nó không tạo ra chất phóng xạ và khí CO2 gây ra sự ấm dần của Trái

Đất

Từ nhừng vấn đề đã nêu trên, đó là nguyên nhân thúc đẩy em muốn đi sâu thêm để

nghiên cứu đề tài :"Khảo sát pin Mặt Trời" để từ đó có thể đưa vào ứng dụng trong cuộc

sống của con người đặc biệt là ở nước ta Nước ta ở gần xích đạo nên lượng bức xạ từ

ánh sáng Mặt Trời rất lớn rất thích hợp cho việc sử dụng Pin Mặt Trời trong tương lai

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết về Pin Mặt Trời Kiến thức Vật lý có ý nghĩa thực tiễn, có

nhiều ứng dụng thực tế

Từ vấn đề lý luận xây dựng và tiến hành các bước khảo sát

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết về quá trình biến đổi ánh sáng thành điện năng từ sách

những trang web, các sách hướng dẫn và các tài liệu liên quan đến đề tài

Nghiên cứu kinh nghiệm của thầy

4 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Bước 1: Trao đổi với thầy hướng dẫn về tài liệu nghiên cứu và nhận đề tài

Bước 2: Viết đề cương và lập kế hoạch thực hiện đề tài

Bươc 3: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thu thập tài liệu tham khảo

Bước 4: Nghiên cứu và lắp ráp mạch thực hành

Bước 5: Hoàn chỉnh đề tài và báo cáo thử

Bước 6: Bảo vệ luận văn

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit

PHẦN LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: ÁNH SÁNG

1.1 Sơ lược về bản chất ánh sáng

Từ thời sơ khai, con người đã bắt đầu tìm hiểu các tính chất của ánh sáng, các tri

thức về ánh sáng đã được tích lũy để rồi các qui luật, định luật thuyết về ánh sáng sẽ được

ra đời và tri thức về ánh sáng sẽ ngày một hoàn thiện như ngày nay

Arixtôt đã nghiên cứu hiện tượng khúc xạ

Euclide đã ghi nhận lại định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng trong môi trường

trong suốt, đồng tính và đẳng hướng

Ptôlêmê đã nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng khúc xạ ánh sáng trong khí

quyển trong việc quan sát thiên văn

Năm 1630, Descartes thành lập được công thức của định luật khúc xạ ánh sáng

Nhưng về bản chất ánh sáng chưa có quan niệm rõ ràng và chính xác Để thấy rõ hơn về

bản chất của ánh sáng ta sẽ tìm hiểu các thuyết về ánh sáng

1.1.1 Thuyết hạt về ánh sáng

Newton là người đưa ra thuyết hạt về ánh sáng Ông cho rằng ánh sáng là những

dòng hạt rất nhỏ do nguồn sáng phát ra và lan truyền trong môi trường đồng chất Sự

phản xạ, khúc xạ ánh sáng được thuyết hạt hoàn toàn bằng phương pháp cơ học

Sự phản xạ ánh sáng trên tấm gương được so sánh với sự phản xạ của các quả cầu

đàn hồi từ một thành nào đó trong trường hợp này thì góc phản xạ bằng góc tới (Hình

1.1)

Sự khúc xạ ánh sáng do các hạt ánh sáng và các hạt môi trường thứ hai hút khi

chúng chuyển từ môi trường này sang môi trường khác, khi đó thành phần tiếp tuyến của

vận tốc ánh sáng v1tvà v2tcoi như không đổi mà chỉ có thành phần pháp tuyến thay đổi

(Hình 1.2)

N

Hình 1.1

S

R

i i’

n

Hình 1.2

V 1

i

V2

V1t

V 2t

V 1p

V2p

S

R’

I

N

n n’

Kết quả mâu thuẫn với thực nghiệm Foucault khi đo vận tốc ánh sáng

1.1.2.Thuyết sóng ánh sáng

Nhà vật lý Hà Lan, Christian Huygens (1629-1695), xem ánh sáng như một xung

đàn hồi, lan truyền trong môi trường đặc biệt gọi là ete, lấp đầy toàn bộ trong không gian

và thấm được vào chất Như vậy, thuyết sóng ánh sáng đã coi ánh sáng với tính cách là

sóng trong ete, giống như sóng âm trong không khí

Mặc dù thuyết ánh sáng của Huygens chưa được nhiều người quan tâm, nhưng các

công trình của Young, Fresnel về hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ và phân cực ánh sáng ở

đầu thế kỷ 19 đã làm nổi bật tính chất sóng của ánh sáng Nhưng qua các hiện tượng đó,

cũng cho thấy sự thiếu sót của thuyết sóng ánh sáng là các quan niệm về ete cơ học Ête

không gây một tác động đáng kể lên vật chuyển động trong nó

Năm 1865, nhà vật lý người Anh là James Clerk Maxwell, đã chứng minh rằng

ánh sáng là sóng điện từ Vì các trường điện từ biến thiên lan truyền trong không gian

với vận tốc ánh sáng Các thí nghiệm của Fizeau, Michelson cố gắng chứng thực sự hiện

hữu của ete đều đi đến thất bại

1.1.3 Thuyết lượng tử ánh sáng

Khi nghiên cứu sự bức xạ và hấp thụ năng lượng, Planck cho rằng các động tử

nguyên tử phát ra từng lượng năng lượng xác định, từng lượng tử, từ đó Planck đã xây

dựng nên thuyết lượng tử về năng lượng Sau đó Einstein trên cơ sở thuyết lượng tử về

năng lượng, ông đưa ra thuyết lượng tử về ánh sáng Ông cho rằng ánh sáng là dòng hạt

riêng biệt được gọi là photon Mỗi photon đều mang một năng lượng xác định:



C h hf

Xung lượng của mỗi photon



h C

hf C

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit

1.2 Những đại lượng trắc quang và đơn vị của nó

1.2.1 Những đại lượng trắc quang

Các đại lượng trắc quang dùng trong kỷ thuật là những đại lượng đo lường ánh

sáng

1.2.1.1 Quang thông

Ánh sáng đơn sắc có bước sóng từ 0,4µm đến 0,76µm khi tác dụng lên võng mạc

mắt gây cảm giác sáng Độ nhạy của mắt đối với áng sáng đơn sắc khác nhau thì khác

nhau Thực nghiệm có thấy mắt nhạy nhất đối với ánh sáng có màu vàng –lục, bước sóng

λ=0,55µm Đối với ánh sáng này, người ta coi như toàn bộ năng lượng của chùm ánh

sáng đều gây ra cảm giác sáng Nhưng đối với ánh sáng khác thì chỉ có một phần năng

lượng gây ra cảm giác sáng Để đặc cho phần năng lượng gây ra cảm giác sáng người ta

dùng khái niệm quang thông

Quang thông do một chùm sáng gửi tới diện tích dS là một đại lượng có trị số

bằng phần năng lượng gây ra cảm giác sáng gửi tới dS trong một đơn vị thời gian

Quang thông là đại lượng đặc trưng cho cường độ của cảm giác sáng mà chùm

sáng có công suất và bước sóng xác định gây trên mắt ta Quang thông bằng tích giữa

dòng quang năng ứng với bước sóng λ và hàm thị kiến ứng với bước sóng đó

dF K.( dE)  (1.1) Trong đó: dE  e .d 

Thay vào (1.1)



 dE K

dF  ( )

K là hệ số tỷ lệ tùy thuộc vào đơn vị của F và E

Ngoài ra, ta còn định nghĩa quang thông toàn phần của một nguồn sáng là phần

năng lượng gây ra cảm giác sáng do nguồn phát ra trong một đơn vị thời gian



d e







0

[3]

λ(µm)

0,4 0,2

0,6 0,8

1

) (



Hình 1.3 Đồ thị của hàm thị kiến

Bảng trị số của hàm thị kiến [3]

10

10

Góc khối nhìn thấy diện tích dS từ điểm O là phần không gian giới hạn bởi hình

nón có đỉnh O và các đường sinh tựa trên chu vi của dS (hình 1.4) Trị số của góc khối

được đo bằng phần diện tích của mặt cầu có bán kính bằng đơn vị bị giới hạn trong hình

nón

Đơn vị góc khối theo hệ SI là Stêradian (Sr) Như vậy, góc khối toàn phần sẽ là 4π

Stêradian

Từ định nghĩa về trị số góc khối, để tìm mối liên hệ giữa góc khối dΩ và dS ta vẽ

một mặt cầu ở tâm O, gọi r khoảng cách từ O đến dS, ta có:

2 0

b Cường độ sáng: là đại lượng đặt trưng cho khả năng phát sáng của nguồn theo

một phương đã cho có giá trị bằng quang thông của nguồn gửi đi trong một đơn vị góc

khối theo phương đó

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit Nhìn chung cường độ sáng đều thay đổi theo phương Nếu cường độ sáng của

nguồn sáng không thay đổi theo phương thì ta có nguồn sáng đẳng hướng Khi đó quang

thông toàn phần sẽ là:



 Id

dF

Suy ra F=Id Id

Ta tính được F 4 I

1.2.1.3 Độ trưng

Một nguồn phát sáng kích thước giới nội Giả sử được nung nóng Xét trên nguồn

đó một diện tích dS, quang thông dF trên diện tích dS phát ra theo mọi phương sẽ là đại

lượng

R= dS dF (1.5) Ta gọi độ trưng của diện tích S Về trị số bằng quang thông toàn phần dS của một đơn vị điện tích của vật phát sáng bức xạ ra 1.2.1.4 Độ rọi (độ dọi) Quang thông và cường độ sáng là hai đại lượng đặc trưng cho nguồn sáng còn vật được chiếu sáng thì người ta dùng khái niệm là độ rọi để mô tả độ sáng của vật được soi sáng Nó chính là quang thông tới trên một đơn vị diện tích của vật được chiếu sáng A= dS dF (1.6) Theo (1.3) cho: dΩ= .cos2 r dS 

Theo (1.4) cho: I=  d dF suy ra dF=IdΩ

Suy ra dF=I .cos2 r dS 

Suy ra .cos2 r I dS dF  

Vậy A= .cos2 r I dS dF   (1.7) So sánh (1.5) và (1.7) cả hai biểu thức đều biểu diễn: A= dS dF Nhưng có khác nhau là độ trưng thì dF là quang thông do dS phát ra còn độ rọi dF dF dS Hình 1.6 [3]

P

* Chú ý Độ trưng của một vật mà bản thân nó là một nguồn sáng thì không phụ thuộc vào độ rọi của nó Độ trưng của một vật (mặt) phát sáng do tán xạ hay phản xạ thì những tia tới tỷ lệ với độ rọi của nó R=K.A K là hệ số tán xạ hay phản xạ với vật tán xạ lọc lựa thì K có giá trị không đổi theo bước sóng Với một vật màu trắng K gần bằng đơn vị và không thay đổi trong vùng khả kiến (K≈ 0,9) Với vật đen K rất nhỏ và không thay đổi (K=0,01) 1.2.1.5 Độ chói Độ chói của một mặt phẳng phát sáng đặc trưng cho sự phát xạ của mặt đó theo một phương đã cho Hình chiếu dS lên mặt phẳng vuông góc với phương nhìn dS n =dS.cosα

Quang thông do dS truyền đi tỷ lệ dS n và dΩ Ta có: dF=Bα dS n dΩ=B i dS.cosαdΩ Trong đó Bi là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào tính chất của mặt phát sáng có thể khác nhau theo các phương Độ chói về trị số bằng quang thông do một đơn vị diện tích biểu kiến bức xạ theo phương nào đó trong một đơn vị góc khối B α=  d dS dF cos (1.8) Thực nghiệm chứng tỏ đối với nhiều vật tự phát sáng thí quang thông dF tỷ lệ cosα và độ chói B là một hằng số Vật đó gọi là vật bức xạ cos tính Trong trường hợp mặt phát sáng do tán xạ, độ chói B ít khi là hằng số Những mặt tán xạ có độ chói B là hằng số là những mặt tán xạ lý tưởng Mối liên hệ giữa độ chói B i và cường độ sáng I Theo (1.8) B α=  d dS dF cos Mà I=  d dF Hình 1.7 [3]

dΩ dS n dS α

o

N

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit Vậy B α=

dS

I

cos (1.9)

Độ chói của một mặt theo phương nào đó có trị số bằng cường độ sáng của mặt

theo phương đó, trên độ lớn của diện tích biểu kiến của mặt đó nhìn theo phương trên

Độ rọi do diên tích dS có độ chói, gây ra trên diện tích dŚ đặc cách dS một khoảng

r Giả sử phương làm với pháp tuyến của mặt dS và dŚ những góc α và α’

Từ hình ta thấy dS nhìn d  S với góc khối dΩ và ngược lại d  S nhìn dS với góc khối d

Theo (1.3) ta được: dΩ= .cos2

r

S 

2

cos

cos

Suy ra dF=B.cosα.dS.dΩ

cos cos

r

S dS B

Độ rọi do một mặt sáng gây ra trên một mặt tỷ lệ độ chói của nó Trong khi đó độ

rọi do nguồn điểm gây ra tỷ lệ với cường độ sáng của nguồn

Mối liên hệ giữa độ chói của một mặt và độ trưng của nó

Tính quang thông F do mặt dS bức xạ theo mọi phương hình vẽ

Mặt dS vuông góc Oz của hệ tọa độ cầu, phát ra quang thông trong góc khối dΩ là:

.cos sin

.cos.sin

Vậy đối với vật bức xạ cos tính từ độ chói của nó nhỏ hơn độ trưng π lần

Nếu mặt phát sáng đó tán xạ các bước xạ đập trên nó thì độ trưng R được xác

định bởi độ rọi A theo công thức R=KA do đó

B=A(K/π) (1.11)

1.2.2 Đơn vị đo các đại lượng trắc quang

1.2.2.1 Đơn vị cường độ sáng

Đơn vị cường độ sáng là candela ( ký hiệu Cd) Đây là đơn vị cơ bản Candela là

cường độ sáng đo theo phương vuông góc với mặt nhỏ có diện tích 1/600.000 2

m bức xạ toàn phần ở nhiệt độ đông đặc của Platin dưới áp suất 101.325N/ 2

m 101.325N/ 2

m là áp suất khí quyển tiêu chuẩn Nhiệt độ đông đặc của Platin là

1.2.2.2 Đơn vị quang thông

Đơn vị của nó là lumen (lm) căn cứ vào công thức

dF=IdΩ ta định nghĩa Lumen là quang thông do một nguồn sáng điểm có cường

độ là 1 Candela phát đều trong góc khối 1Stêradian

1.2.2.3 Đơn vị độ rọi

Đơn vị độ rọi là Lux Dựa vào hệ thức

dS

dF

A  ta có định nghĩa về độ rọi như sau:

Lux là đơn vị của độ rọi trên một diện tích 1 2

m gây bởi quang thông 1 lumen chiếu sáng đều trên diện tích đó

Ngoài ra còn dùng đơn vị là phốt

1 phốt= 4

10 lux

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit

R  ta có định nghĩa độ trưng như sau:

Lumen trên mét vuông là độ trưng của một nguồn hình cầu có diện tích mặt ngoài

1 2

m phát ra quang thông 1 lumen phân bố đều theo mọi phương

*Chú ý: Độ trưng và độ rọi có cùng công thức nhưng khác nhau về đơn vị

Độ rọi có đơn vị là lux

Đơn vị độ chói là nit

Dựa vào công thức:



cos

B  ta định nghĩa độ chói như sau:

Nít là độ chói của một nguồn phăng phát sáng đều có diện tích 1 2

m và cường độ sáng 1 Candela theo phương vuông góc với nguồn đó

Quang thông 1lumen ứng với công thức khác nhau của dòng ánh sáng tùy theo

thành phần quang phổ của dòng ánh sáng này

Dựa vào công thức:

dF K.  dF  Bây giờ ta có thể thành lập mối quan hệ giữa đơn vị trắc quang và đơn vị năng

lượng

Thí nghiệm đã chứng tỏ khoảng cách bước sóng hẹp ở gần λ= 0,555µm lúc đó

(λ)=1 thì quang thông 1lumen ứng với một công suất bằng 0,00155w

1 lumen= K.0,00155w Suy ra K=650 lumen/w

Nếu là bước sóng khác thì (λ) ≠ 1 Ta có dF(lumen)= 650 ≠ (λ)dEλ Như vậy ta

được kết quả như sau:

Trong khoảng bước sóng λ= 0,555µm Thì 1w ứng với 650 lumen

Ứng với bước sóng khác thì 1w tương ứng 650 lumen

Sau khi tìm hiểu cơ bản về một số tính chất và những đặc điểm của ánh sáng Để

thấy được vai trò quang trọng của ánh sáng chúng ta cùng đi vào tìm hiểu chương sau

CHƯƠNG II: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 Năng lượng bức xạ Mặt Trời

2.1.1 Mặt trời, cấu tạo của Mặt Trời

Mặt Trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106 km (lớn hơn 110 lần

đường kínhTrái Đất), cách xa Trái Đất150.106 km (hình 2.1) Khối lượng Mặt Trời M0

2.1030 kg Nhiệt độ T0 của trung tâm Mặt Trời thay đổi trong khoảng từ 10.106 0K đến

20.106 0K, trung bình khoảng 15.600.000 0K Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ

được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử Nó trở thành plasma

trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt

nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính

chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của Mặt Trời, các nhà khoa học

đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng Mặt Trời

Về cấu trúc, Mặt Trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối khí hình

cầu khổng lồ Vùng giữa gọi là hạt nhân hay "lõi" có những chuyển động đối lưu, nơi xảy

ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng Mặt Trời, vùng này có bán

kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160 kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20

triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atm Vùng kế tiếp là vùng trung gian, còn gọi

là vùng "đổi ngược" qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm

Sắt, Canxi, Natri, Stronti, Crom, Niken, Cacbon, Silic, và các khí như Hydro, Heli,…bề

[1]

Hình 2.1 Cấu tạo bề ngoài của Mặt Trời

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit dày vùng này khoảng 400.000 km Tiếp theo là vùng "đối lưu" dày 125.000 km và vùng

"quang cầu" có nhiệt độ khoảng 6.000 0K, dày 1.000 km ở vùng này gồm các bọt khí sôi

sục, có chỗ tạo ra các vết đen (là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.5000K) và các tai

lửa có nhiệt độ từ 7.000 - 10.000 0K Vùng ngoài cùng là vùng bất định, được gọi là “khí

quyển” của Mặt Trời (hình 2.2)

Nhiệt độ bề mặt của Mặt Trời khoảng 5.762 0K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các

nguyên tử tồn tại trong tình trạng kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng lại

xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử Dựa trên cơ sở phân tích

các phổ bức xạ và hấp thụ của Mặt Trời người ta xác định được rằng trên Mặt Trời có ít

nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên Trái Đất Nguyên tố phổ biến nhất trên Mặt Trời là

nguyên tố nhẹ nhất Hydro (H) Vật chất của Mặt Trời gồm 92,1% H, 7,8% Heli (He),

0,1% là các nguyên tố khác Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt Trời là do phản

ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân H, phản ứng này dựa trên sự tạo thành He Hạt nhân

của H có 1 hạt mang điện dương là proton Thông thường những hạt nhân mang điện

cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức

chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới

phản ứng các neutrino lập tức rời khỏi phạm vi Mặt Trời và không tham gia vào các

"biến cố" sau đó

Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của Mặt Trời bị mất

Hình 2.2 Cấu trúc của Mặt Trời [1]

nghiên cứu, trạng thái của Mặt Trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng tỷ năm nữa

Mỗi ngày, Mặt Trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến

9.1024 kWh (tức là chưa đầy một phần triệu giây Mặt Trời đã giải phóng ra một lượng

năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong 1 năm trên Trái Đất)

2.1.2 Bức xạ Mặt Trời

Trong toàn bộ bức xạ của Mặt Trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng

hạt nhân xảy ra trong nhân Mặt Trời không quá 3% Tất cả năng lượng được tạo ra từ

phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi đi qua nhiều lớp để tới quang quyển trước khi đi

vào không gian dưới dạng ánh sáng Mặt Trời Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105 km bề

dày của lớp vật chất Mặt Trời, bị biến đổi rất mạnh Tất cả các dạng của bức xạ điện từ

đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng Bức xạ γ là sóng ngắn nhất

trong các sóng đó (hình 2.3) Từ tâm Mặt Trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng

lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài Như vậy,

bức xạ chuyển thành bức xạ Rơn-ghen có bước sóng dài hơn

Hình 2.3 Dải bước sóng điện từ (µm) [1]

2.1.3 Phổ bức xạ Mặt Trời

Bức xạ Mặt Trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình truyền các dao động điện

từ trường trong không gian Trong quá trình truyền sóng, các vectơ cường độ điện trường

và cường độ từ trường luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền của

sóng điện từ Quãng đường mà sóng điện từ truyền được sau một chu kỳ dao động điện từ

được gọi là bước sóng  Sự phân bố năng lượng đối với các bước sóng khác nhau cũng

khác nhau

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit

Bảng 2.1 Phân bố phổ bức xạ Mặt Trời theo bước sóng [1]

Bảng 2.1 cho thấy quan hệ giữa mật độ năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc

vào bước sóng của nó Qua đó ta thấy rằng mật độ năng lượng bức xạ Mặt Trời chủ

yếu phân bố trong dãy bước sóng từ = 0,2 m (tử ngoại C, tỷ lệ mật độ NL 1,55%)

đến = 100,0 m (hồng ngoại, tỷ lệ mật độ năng lượng 1,93%), còn ngoài vùng đó mật

độ năng lượng không đáng kể Hầu như một nửa năng lượng tập trung ở khoảng nhìn thấy

của phổ Như vậy, khi bức xạ Mặt Trời đi qua tầng khí quyển bao quanh Trái Đất, nó bị

các phân tử khí, các hạt bụi, hấp thụ hoặc bị làm phát xạ nên phổ và năng lượng Mặt

2.1.3.1 Thành phần bức xạ Mặt Trời

Ở mặt đất nhận được 2 thành phần bức xạ:

• Trực xạ (bức xạ trực tiếp): bức xạ Mặt Trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát tán

• Tán xạ: bức xạ Mặt Trời nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi

do sự phát tán của bầu khí quyển

Hướng của tia trực xạ phụ thuộc vào vị trí của Mặt Trời trên bầu trời, tức là phụ

thuộc vào thời gian và địa điểm quan sát Trong khi đó đối với tán xạ không có hướng

xác định, ta quan sát từ mọi điểm trên bầu trời

Tổng xạ: tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt, chiếm khoảng 70% toàn bộ

bứ xạ Mặt Trời hướng về Trái Đất

Cường độ bức xạ (W/m2): cường độ năng lượng bức xạ Mặt Trời đến một bề mặt

tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt Cường độ bức xạ cũng bao gồm cường độ

bức xạ trực xạ, cường độ bức xạ tán xạ, và cường độ bức xạ quang phổ

Phần lớn các số liệu về bức xạ Mặt Trời được đo ở trên mặt nằm ngang ở các trạm

khí tượng thủy văn

Qua (hình 2.4), ta thấy sự biến đổi của bức xạ Mặt Trời vào 1 ngày nắng tốt là khá

đẹp và có một cực đại lân cận giữa trưa Đối với các ngày mây mù các đường cong trên

sẽ biến đổi phức tạp với rất nhiều cực đại và cực tiểu phụ

[1]

Hình 2.4 Các đường cong ghi các thành phần tổng xạ và nhiễu xạ trong 1 ngày trong

sáng

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit

2.1.3.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bức xạ nhận được trên mặt đất

Cường độ bức xạ Mặt Trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố: góc nghiêng

của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường đi của tia sáng

trong khí quyển Hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của Mặt Trời (góc giữa phương

từ điểm quan sát đến Mặt Trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó) Yếu tố cơ bản

xác định cường độ của bức xạ Mặt Trời tại một điểm nào đó trên Trái Đất là quãng

đường mà nó đi qua Sự tiêu hao năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ,

hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý

2.1.3.3 Năng lượng bức xạ Mặt Trời ở Việt Nam

Có 2 đại lượng chính để đánh giá bức xạ Mặt Trời ở 1 địa phương nào đó, đó là

mật độ năng lượng Mặt Trời trung bình ngày và số giờ nắng trung bình tháng trong năm

và cả năm

Bảng 2.2 Lượng tổng bức xạ Mặt Trời trung bình ngày của các tháng trong

năm ở một số địa phương ở Việt Nam (đơn vị MJ/m 2 ngày) [1]

Tổng bức xạ Mặt Trời của các tháng trong năm (đơn vị: MJ/m 2 ngày)

Địa phương

8,21 8,72 10,43 12,70 16,81 17,56 Cao Bằng

18,81 19,11 17,60 13,57 11,27 9,37 18,81 19,11 17,60 13,57 11,27 9,37 Móng Cái

17,56 18,23 16,10 15,75 12,91 10,35 11,23 12,65 14,45 16,84 17,89 17,47 Sơn La

11,23 12,65 14,45 16,84 17,89 17,47 8,76 8,63 9,09 12,44 18,94 19,11 Láng (Hà Nội)

20,11 18,23 17,22 15,04 12,40 10,66 9,72 9,55 10,18 13,53 20,66 20,32 Yên Định

20,87 18,96 18,44 15,71 12,19 11,35 8,88 8,13 9,34 14,50 20,03 19,78 Vinh

21,79 16,39 15,92 13,16 10,22 9,01 12,44 14,87 18,02 20,28 22,17 21,04

Đà Nẵng

22,84 20,78 17,93 14,29 10,43 8,47 17,51 20,07 20,95 20,88 16,72 15,00 Cần Thơ

16,68 15,29 16,38 15,54 15,25 16,38 16,68 15,29 16,38 15,54 15,25 16,38

Đà Lạt

18,94 16,51 15,00 14,87 15,75 10,07

a Cường độ bức xạ

Theo kết quả nghiên cứu của đề tài cấp Nhà nước mang mã số 52C-01-01a đã tiến

hành xử lý số liệu quan trắc của 112 trạm Khí tượng thủy văn phân bố trên toàn quốc về

bức xạ Mặt Trời và thời gian nắng Số liệu được thu thập liên tục trong 18÷29 năm, mỗi

ngày tiến hành 5 lần quan trắc vào 6h30’, 9h30’, 12h30’, 15h30’, 18h30’

Giá trị cường độ tổng xạ trung bình ngày:

lan k k

n i i i

moc i d

Q Q

Q Q

Q

2

)22

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit

moc

 : khoảng thời gian giữa lúc Mặt Trời mọc và kỳ quan trắc đầu có Q>0

lan

 : khoảng thời gian giữa lúc Mặt Trời lặn và kỳ quan trắc đầu có Q>0

Giá trị cường độ tổng xạ trung bình cả năm (kWh/m2/năm) hay (kWh/m2/N):







i i i i i i

S

Q S

Q (kWh/m2/N) (2.2)

Với Qi: cường độ bức xạ trung bình trong nhiều năm tại trạm quan trắc thứ i

Si: diện tích của địa phương có đặt trạm quan trắc thứ i

Từ tính toán dựa trên công thức ( 2.2), ta thu được cường độ bức xạ trung bình trên

ngày và trên năm ở một số địa phương (bảng 2.3)

Bảng 2.3 Cường độ bức xạ trung bình [1]

Cường độ bức xạ trung bình Vùng

2 Vùng núi Tây Bắc, Thanh Hóa,

Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị

3 Thừa Thiên - Huế, ven biển từ Đà

Nẵng đến Phú Yên, Kon Tum, Gia Lai, các tỉnh Đông Nam Bộ, TP

Hồ Chí Minh, các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long

4 Đắk Lăk, Lâm Đồng, Khánh Hoà,

Ninh Thuận, Bình Thuận, Bà Rịa Vũng Tàu

b Số giờ nắng trong cả năm

Số giờ nắng được đo bằng nhật quang ký Cambell-Stocker, trong đó có một số rất

ít trạm dùng nhật quang ký Jordan, nhưng sự khác nhau giữa hai loại này là không đáng

kể Các giờ nắng được tính khi cường độ bức xạ có giá trị Q ≥140 W/m2, đã để lại vết

cháy trên giấy giản đồ Dựa vào số liệu đo được của 112 trạm để tính số giờ nắng trung

bình trong vùng lãnh thổ Số giờ nắng trung bình cả năm của các vùng lãnh thổ (bảng

2.4) trên cơ sở tính theo công thức (2.3)







i i i i i

S

T S

T (h/N) (2.3)

Với T: số giờ nắng trung bình trong năm (h/N)

Si: diện tích địa phương có đặt trạm quan trắc thứ i (km2)

Ti: tổng số giờ nắng trung bình trong nhiều năm tại trạm đo thứ i

Ghi chú: số giờ nắng trung bình cả năm của các trạm có giá trị đo xấp xỉ nhau

được xếp thành 1 nhóm lãnh thổ và được tính theo (2.3)

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit

Bảng 2.4 Số giờ nắng trung bình trong năm [1]

Vùng

lãnh thổ

bình trong năm

3 Vùng núi phía Bắc, Đông Bắc, Đồng bằng

8 Đông Nam Bộ, TP Hồ Chí Minh, Đồng bằng

sông Cửu Long

2.411

Sau khi chúng ta đã tìm hiểu và thấy được ánh sáng không những chiếu sáng, mà

nó còn mang lại cho ta một nguồn năng lượng rất lớn Để sử dụng nguồn năng lượng này

thì con người đã làm như thế nào? Chúng ta hãy vào chương sau để thấy được đều này

CHƯƠNG III: PIN MẶT TRỜI

3.1 Lịch sử phát triển của Pin Mặt Trời

Năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng sạch và có thể coi là vô tận Con

người đã biết ứng dụng nguồn năng lượng này vào trong khoa học kỹ thuật và trong đời

sống từ rất lâu Vào năm 1839, nhà vật lý người Pháp, ông đã phát minh ra hiệu ứng

quang điện Năm 1883, Charles Fritts nhà phát minh người Mỹ là người đã chế tạo ra pin

Mặt Trời đầu tiên có tính thực tiễn, tấm selenium có mạ lớp vàng kim loại Nhưng nó chỉ

có hiệu suất chuyển đổi năng lượng Mặt Trời thành điện năng khoảng 1% Nên nó được

dùng làm cảm biến để xác định mức độ ánh sáng trong máy chụp ảnh, thay vì cung điện

Về sau, Albert Einstien tiếp tục phát triển lý thuyết về bản chất của ánh sáng và cơ chế

hiệu ứng quang điện Do giá thành cao và hiệu suất thấp nên pin Mặt Trời chưa được

dụng nhiều trong thực tiễn Trong những thập niên 1930, Russell Ohl đã sáng chế pin

Mặt Trời bằng silium, từ đó hiệu suất của pin Mặt Trời ngày càng tăng lên Thế hệ thứ

nhất của pin Mặt Trời có giá thành rất cao nên ít dùng trong thực tế Với giá thành cao

như vậy ban đầu được dùng cho các vệ tinh và các tàu thăm dò không gian Với cuộc

chạy đua vào nghành vũ trụ không gian của các nước trên thế giới trong các năm 1950

1960, pin Mặt Trời dù giá thành cao nhưng vẫn được nghiên cứu và được sử dụng trong

các tàu không gian Trải qua nhiều năm, công nghệ chế tạo pin Mặt Trời đã phát triển

mạnh cùng với nhiều ứng dụng mới của khoa học kỹ thuật đã làm cho giá thành sản xuất

của pin Mặt Trời ngày một được giảm xuống Nên ngày nay, nó được sử dụng rộng rãi

trong các nghành công nghệ cao mà còn được sử dụng trong cả cuộc sống hàng ngày

Sau đây ta sẽ nghiên cứu công nghệ pin Mặt Trời Trước khi tìm hiểu công nghệ

chế tạo pin Mặt Trời ta sẽ tìm hiểu đôi nét về cơ chế biến đổi quang năng thành điện năng

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 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 U AK được biểu diễn bằng một đường cong mà ta gọi là đường đặc

trưng vôn-ampe

 U f

I qd 

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

•U h≤ U AK≤ U0thì I qd thay đổi theo U AK

• Khi U AK≥ U0thì I qd→ I bh= const

• Khi U AK=0 thì I qd≠ 0

• Khi U AK=U h< 0 gọi là hiệu điện thế hãm thì I qd=0 Hiệu điện thế hãm

h

U phụ 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 I bh 1 > I bh 2

qd I

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 U AK= 0 thì I qd≠ 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

AK

U < 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

0  (3.1) Mặt khác U h 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 2

max 0

2

1

mV A

c h hf

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

0

A

c h hf

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit

Với f0và 0 được gọi là giới hạn quang điện

Cường độ dòng quang điện bão hòa được xác định:

t

ne t

Mà số electron bật ra khỏi vật tỉ lệ với số photon này và tỉ lệ với cương độ chùm

ánh sáng chiếu tới Cho nên cường độ dòng quang điện bão hòa sẽ tỉ lệ với cường độ

chùm ánh sáng chiếu tới

3.3 Chất bán dẫn

3.3.1 Tổng quát về chất bán dẫn

Bán dẫn điển hình và được dùng phổ biến nhất là Si, Ge Ngoài ra còn có các bán

dẫn đơn chất khác như Se và các bán dẫn hợp chất như: GaAs, CdTe, ZnS,…, nhiều oxit,

sunfua, selenua, telurua… và một số chất polime

Tính chất của chất bán dẫn:

• Điện trở suất của bán dẫn có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi

• Điện trở suất của bán dẫn tinh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng Do đó, khi ở

nhiệt độ thấp, bán dẫn, dẫn điện rất kém (giống điện môi), còn ở nhiệt độ cao, bán dẫn,

dẫn điện khá tốt (giống kim loại)

• Tính chất điện của bán dẫn phụ thuộc rất mạnh vào các tạp chất có trong tinh thể

Lý thuyết về vùng (dải) năng lượng: khảo sát 1 tinh thể bất kỳ, năng lượng của điện

tử được chia thành từng vùng:

• Vùng hóa trị: vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, ở đó điện tử bị

liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động

• Vùng dẫn: vùng có mức năng lượng cao nhất, ở đó điện tử sẽ linh động (như các

điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn

điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng

dẫn tăng

• Vùng cấm: vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào nên điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện

các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp) Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và

đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm hay năng lượng vùng cấm Tùy theo độ rộng

vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện

Như vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể lý giải

một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như (hình 1.5):

Trường hợp (a): Vì EG lớn, điện tử không đủ năng lượng vượt dải cấm để vào dải

dẫn điện Nếu ta cho tác dụng một điện trường vào tinh thể, vì tất cả các trạng thái trong

dải hoá trị đều bị chiếm nên điện tử chỉ có thể di chuyển bằng cách đổi chỗ cho nhau Do

đó, số điện tử đi, về một chiều bằng với số điện tử đi, về theo chiều ngược lại, dòng điện

trung bình triệt tiêu Ta có chất cách điện

Hình 3.2 Độ dẫn điện phụ thuộc vào dải cấm [1]

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit Trường hợp (b): Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định Ở 0 0K,

mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó

chất bán dẫn không dẫn điện Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng

nhiệt kB.T (với kB là hằng số Boltzmann) nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt

qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có

một số điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên

vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên

vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ

Trường hợp (c): Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng

cấm) do đó luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện

3.3.2 Chất bán dẫn điện thuần

Hầu hết các chất bán dẫn đều có cấu tạo tinh thể Ta xét trường hợp bán dẫn điển

hình là Si Si là nguyên tố có hóa trị 4, tức là lớp điện tử ngoài cùng của Si có 4 điện tử

Trong tinh thể, mỗi nguyên tử liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận thông qua các liên kết

cộng hóa trị Như vậy, xung quanh mỗi nguyên tử Si có 8 điện tử, tạo thành lớp điện tử

đầy Do đó, liên kết giữa các nguyên tử trong tinh thể Si rất bền vững

Ở nhiệt độ thấp, gần 0 0K, các điện tử hóa trị gắn bó chặt chẽ với các nguyên tử ở

nút mạng (hình 3.3) Do đó, trong tinh thể không có hạt tải điện tự do, bán dẫn Si gần như

không dẫn điện

Hình 3.3 Tinh thể Silic ở nhiệt độ thấp (T = 0 0K) [1]

Nếu tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt năng sẽ làm tăng năng lượng một số điện tử và

làm gãy một số nối hoá trị Các điện tử ở các nối bị gãy rời xa nhau và có thể di chuyển

dễ dàng trong mạng tinh thể dưới tác dụng của điện trường (hình 3.4) Tại các nối hoá trị

bị gãy ta có các lỗ trống, mang điện tích nguyên tố dương Về phương diện năng lượng,

ta có thể nói rằng nhiệt năng làm tăng năng lượng các điện tử trong dải hoá trị

Khi năng lượng này lớn hơn năng lượng của dải cấm (Ge là 0,7 eV; Si là 1,12

eV), điện tử có thể vượt dải cấm vào dải dẫn điện và chừa lại những lỗ trống trong dải

hoá trị Ta có số điện tử trong dải dẫn điện bằng số lỗ trống trong dải hoá trị (hình 3.5)

Nếu ta gọi n là mật độ điện tử có năng lượng trong dải dẫn điện và p là mật độ lỗ

trống có năng lượng trong dải hoá trị Ta có: n = p = ni với ni là mật độ lỗ trống hoặcđiện

tử trong bán dẫn thuần Khi nhiệt độ tăng thì ni tăng

Hình 3.5 Tinh thể chất bán dẫn thuần [1]

Hình 3.4 Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ cao (T = 300 0K) [1]

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit

Cặp điện tử- lỗ trống còn phát sinh khi ta chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp

vào bán dẫn Do đó, mật độ hạt tải điện trong bán dẫn tăng, độ dẫn điện trong bán dẫn

tăng, tức là điện trở suất của bán dẫn giảm khi có ánh sáng chiếu vào Đó là hiện tượng

quang dẫn Cường độ ánh sáng chiếu vào bán dẫn càng mạnh thì điện trở suất của nó

càng nhỏ

3.3.3 Chất bán dẫn ngoại lai hay có chất pha

3.3.3.1 Chất bán dẫn loại n

Pha vào Si thuần những nguyên tử thuộc nhóm V (như As, P, Sb) Giả sử trong

mạng tinh thể Si có lẫn 1 nguyên tử Photpho (P) (hình 3.6) Nguyên tử P có 5 điện tử ở

lớp ngoài cùng, trong đó 4 điện tử tham gia liên kết cộng hóa trị với nguyên tử Si ở xung

quanh Điện tử còn lại liên kết yếu với nguyên tử P, nên ngay ở nhiệt độ thấp, nó đã có

thể dễ dàng bứt khỏi nguyên tử P và trở thành điện tử tự do Nguyên tử P trở thành 1 ion

dương nằm ở nút mạng Ở nhiệt độ thấp, tất cả các điện tử của các nối hoá trị đều có năng

lượng trong dải hoá trị, trừ những điện tử thừa của P không tạo nối hoá trị có năng lượng

ED nằm trong dải cấm và cách dải dẫn điện một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0,05 eV

Giả sử ta tăng nhiệt độ của tinh thể, một số nối hoá trị bị gãy, ta có những lỗ trống

trong dải hoá trị và những điện tử trong dải dẫn điện giống như trong trường hợp của các

chất bán dẫn thuần Ngoài ra, các điện tử của P có năng lượng ED cũng nhận nhiệt năng

để trở thành những điện tử có năng lượng trong dải dẫn điện Vì thế ta có thể coi như hầu

hết các nguyên tử P đều bị ion hoá (vì khoảng năng lượng giữa ED và dải dẫn điện rất

Hình 3.6 Tinh thể Si pha tạp chất [1]

nhỏ), nghĩa là tất cả các điện tử lúc đầu có năng lượng ED đều được tăng năng lượng để

trở thành điện tử tự do (hình3.7)

Nếu ta gọi ND là mật độ những nguyên tử P pha vào, ta có: n = p + ND

với n mật độ điện tử trong dải dẫn điện, p mật độ lỗ trống trong dải hoá trị

ni: mật độ điện tử hoặc lỗ trống trong chất bán dẫn thuần trước khi pha

Người ta cũng chứng minh được: n.p = ni

2

(n > p)

Chất bán dẫn như trên có số điện tử trong dải dẫn điện nhiều hơn số lỗ trống trong

dải hoá trị gọi là chất bán dẫn loại n (n là chữ viết tắt của negative- hạt tải điện đa số

mang điện tích âm)

3.3.3.2 Chất bán dẫn loại p

Pha vào Si thuần những nguyên tố thuộc nhóm III như In, Ga, Al, Nếu tạp chất

là Inđi (In) thì còn thiếu 1 điện tử để tạo thành liên kết giữa nguyên tử In với 4 nguyên tử

Si lân cận (hình 3.8) Một điện tử ở liên kết gần đó có thể chuyển đến lấp đầy liên kết này

và tạo thành lỗ trống Còn nguyên tử In trở thành 1 ion âm nằm ở nút mạng Giữa In và

Si này ta có 1 trạng thái năng lượng trống có năng lượng EA nằm trong dải cấm và cách

dải hoá trị một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0,08 eV

Hình 3.7 Tăng nhiệt độ bán dẫn [1]

sử dụng Bộ giao tiếp Cobra3 Unit

Ở nhiệt độ thấp (T = 0 0K), tất cả các điện tử đều có năng lượng trong dải hoá trị

Nếu ta tăng nhiệt độ của tinh thể sẽ có một số điện tử trong dải hoá trị nhận năng lượng

và vượt dải cấm vào dải dẫn điện, đồng thời cũng có những điện tử vượt dải cấm lên

chiếm chỗ những lỗ trống có năng lượng EA (hình 3.9)

Nếu gọi NA là mật độ những nguyên tử In pha vào, ta có: p = n + NA (3.3)

Người ta cũng chứng minh được: n.p = ni2 (p > n)

Chất bán dẫn như trên có số lỗ trống trong dải hoá trị nhiều hơn số điện tử trong

dải dẫn điện được gọi là chất bán dẫn loại p (p là chữ viết tắt của positive- hạt tải điện đa

số mang điện tích dương)

Hình 3.8 Tinh thể chất bán dẫn loại p [1]

Dải dẫn điện

Dải hóa trị E

1,12eV

Hình 3.9 Tăng nhiệt độ chất bán dẫn loại p [1]