LUẬN văn sư PHẠM vật lý PIN QUANG điện và ỨNG DỤNG

Năng lượng Mặt trời Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra.. Còn trong

BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ – CÔNG NGHỆ

PIN QUANG ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG

Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

Ths GVC Phạm Văn Tuấn Nguyễn Thị Diệu Hiền

MSSV: 1070363

ớ : SP V t – ng Nghệ

Tháng 04 năm 2011

LỜI CẢM ƠN



Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Văn Tuấn đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Văn Nhạn và thầy Dương Quốc Chánh Tín 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

Đồng cảm ơn các bạn sinh viên lớp Sư phạm Vật lý – Công nghệ K33 đã nhiệt tình giúp đỡ để tôi có thêm tài liệu để hoàn thành đề tài luận văn của mình

Xin kính chúc sức khỏe thầy và các bạn thân mến!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Diệu hiền

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Giới hạn đề tài 1

3 Mục đích nghiên cứu 2

4 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Các giai đoạn thực hiện đề tài 2

7 Các chữ viết tắt trong đề tài ……… 2

PHẦN NỘI DUNG.……….3

A CƠ SỞ LÝ THUYẾT ……….……… 3

Chương I: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3

1.1 Mặt trời, cấu tạo Mặt trời 3

1.2 Năng lượng Mặt trời 5

1.3 Phổ bức xạ Mặt Trời 7

1.4 Bức xạ Mặt Trời 9

Chương II PIN MẶT TRỜI 11

2.1 Hiệu ứng quang – điện 11

2.1.1 Hiện tượng 11

2.1.2 Các đ nh lu t quang điện và gi i thích 12

2.1.3 Hiệu ứng quang điện trong hệ thống hai mức năng lượng 13

2.1.4 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện 14

2.1.5 Sự tạo thành hàng rào thế năng 15

2.1.6 Tính chỉnh lưu của lớp tiếp xúc bán dẫn 17

2.1.7 Đường đặc trưng VA sáng – sự tạo dòng quang điện 18

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời 21

2.2.2 Các đặc trưng điện của pin Mặt Trời 22

2.2.2.1 Sơ đ tương đương 22

2.2.2.2 Dòng đo n mạch ISC 23

2.2.2.3 Thế h mạch VOC 23

2.2.2.4 Đi m làm việc c ng suất cực đại PM 25

2.2.2.5 Các điều iện về t i tiêu thụ điện 26

2.2.2.6 Các tham số nh hư ng đến chế độ làm việc và hiệu suất củ pin Mặt Trời 28

2.2.2.7 Hiệu suất biến đổi quang – điện của pin Mặt Trời 29

2.2.3 Nguyên lý của pin Mặt Trời nhiều mức năng lượng 30

2.3 C ng nghệ chế tạo pin Mặt Trời 32

2.4 Các v t liệu và pin Mặt Trời v đ nh hình 40

2.4.1 V t liệu pin Mặt Trời 40

2.4.2 V t liệu pin Mặt Trời màng mỏng 41

2.4.2.1 Pin Mặt Trời v đ nh hình Si (a-Si) 43

2.4.2.2 Pin Mặt Trời v d nh hình bán dẫn hợp chất 45

2.4.2.3 Pin Mặt Trời trên cơ s v t liệu CuInSe2 46

2.4.2.4 Pin Mặt Trời trên cơ s v t liệu CdTe (CdTe) 46

Chương III: HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN PIN MẶT TRỜI 47

3.1 Hệ thống ngu n điện pin Mặt Trời tổng quát 47

3.2 Dàn pin Mặt Trời 48

3.2.1 Ghép nối tiếp các modun Mặt Trời giống nhau 49

3.2.3 Ghép song song các modun Mặt Trời giống nhau 51

3.2.4 Ghép song song các modun Mặt Trời h ng giống nhau 52

3.2.5 Các th ng số ỹ thu t của modun Mặt Trời 54

3.3 Tích trữ năng lượng trong hệ thống năng lượng pin Mặt Trời 55

3.3.1 Acquy chì – axit 55

3.3.1.1 Các ph n ứng hóa học trong acquy axit 56

3.3.1.2 Chu trình phóng điện 56

3.3.1.3 Chu trình nạp điện 57

3.3.2 Các đặc trưng của acquy axit – chì 57

3.3.2.1 Dung d ch của acquy 57

3.3.2.2 Thời gian sống chu trình 58

3.3.2.3 Thế của acquy và thế phóng điện 60

3.3.2.4 Khối lượng riêng của dung d ch điện phân 62

3.3.2.5 Đi m đóng của dung d ch điện phân 63

3.3.2.6 Hiện tượng tự phóng điện của acquy 63

3.3.3 Các loại axit hác 63

3.3.3.1 Acquy niken – cadmi (Ni-Cd) 63

3.3.3.2 Acquy niken – sắt ( Ni – Fe) 64

3.3.4 Các hư hỏng thường gặp acquy 65

3.3.4.1 Nạp quá no 65

3.3.4.2 Nạp chưa đủ 65

3.3.4.3 Các cựa và đầu dây b ăn mòn và han gỉ 66

3.3.4.4 Đo n mạch 66

3.3.4.6 Sự mất nước 67

3.3.5 B o dưỡng và an toàn cho acquy 67

3.3.5.1 Bổ sung thêm nước 67

3.3.5.2 Ki m tra trạng thái nạp điện cho acquy 67

3.3.5.3 Nạp điện cân bằng 67

3.3.5.4 Các tai nạn có th x y ra hi làm việc với acquy 67

Chương IV: THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT CÁC HỆ NĂNG LƯỢNG PIN MẶT TRỜI 69

4.1 Các th ng số cần thiết đ thiết ế hệ ngu n điện pin Mặt Trời 70

4.1.1 Yêu cầu và đặt trưng của t i tiêu thụ 70

4.1.2 V trí lắp đặt hệ năng lượng 71

4.1.2.1 Bức xạ Mặt Trời 71

4.1.2.2 Góc nghiêng của dàn pin Mặt Trời 72

4.1.2.3 Nhiệt độ làm việc của pin Mặt Trời 73

4.2 Các bước thiết ế và tính toán hệ năng lượng pin Mặt Trời 73

4.2.1 Lựa chọn sơ đ hối 73

4.2.2 Tính toán các thành phần trong hệ ngu n 74

4.2.3 Các bộ điều phối năng lượng 77

4.2.3.1 Bộ điều hi n nạp – phóng điện (BĐK) 77

4.2.3.2 Đối với bộ đổi điện DC – AC 78

4.2.4 Các chỉ th 79

4.2.5 Các diot b o vệ 79

4.2.6 Hộp nối và dây nối điện 79

4.3.1 Đ nh hướng tấm pin Mặt Trời 80

4.3.2 Nối đất và chống sét 81

4.4 B o dưỡng 82

4.4.1 Ki m tra bộ acquy (cho tất c các acquy) 82

4.2.2 Ki m tra dàn pin Mặt Trời 82

Chương V: CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ TRONG HỆ NGUỒN PIN MẶT TRỜI 84

A – ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ 84

5.1 Điều hi n năng lượng trong hệ thống pin Mặt Trời độc l p 84

5.2 Các loại điều hi n cơ b n 85

5.2.1 Nguyên lý tự điều hi n 85

5.2.2 Bộ điều hi n song song 86

5.2.3 Bộ điều hi n nối tiếp 88

5.2.4 Bộ điều hi n nối tiếp dùng rơle cơ điện 89

5.2.5 Mạch cầu điện tử tự động 91

B – ĐIỀU PHỐI NĂNG LƯỢNG 91

5.3 Đặc tính của các t i thu thế và thu dòng 92

5.3.1 T i điện là các bộ thu điện thế 92

5.3.2 T i điện là các bộ thu dòng 93

5.4 Bộ biến đổi DC – DC 93

5.4.1 Các bộ hạ thế 93

5.4.2 Bộ tăng thế DC – DC 95

5.4.3 Thiết ế bộ biến đổi DC – DC 96

Chương VI: PHÂN TÍCH KINH TẾ 100

6.1 Phí ban đầu và chi phí hàng năm 100

6.1.1 Chi phí ban đầu 100

6.1.2 Chi phí hàng năm 100

6.2 Một số đ nh nghĩa 101

6.3 Tính toán giá tr hiện tại 102

6.4 Việc hoàn thành các ho n nợ thành các ho n hoàn tr bằng nhau 102

6.5 Tiết iệm từ năng lượng Mặt Trời hàng năm 103

6.6 Tiết iệm nhiên liệu tích lũy và tiết iệm tuần hoàn 104

6.7 Thời hạn hoàn vốn 108

6.8 Nh n xét và ết lu n 109

B ỨNG DỤNG THỰC TIỄN ……… 109

PHẦN KẾT LUẬN 115

1 Kết qu đạt được của đề tài 115

2 Hạn chế của đề tài 115

3 Dự đ nh trong tương lai 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

- Ngày nay, mọi phương tiện đời sống xã hội (XH) đều có xu hướng phát triển theo hướng công nghiệp hoá (CNH) - hiện đại hoá (HĐH), mở cửa hội nhập với cộng đồng Quốc Tế rộng lớn và cơ chế thị trường cạnh tranh quyết liệt, cùng với sự phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật (KHKT) công nghệ thông tin, thì tri thức và kỹ năng ứng dụng tri thức của con người chiếm một vị trí vô cùng quan trọng, được xem là một yếu tố quyết định cho sự phát triển của XH theo xu hướng phát triển chung của thế giới

- Trong xu hướng CNH – HĐH như hiện nay việc sử dụng năng lượng sạch, không ô nhiễm môi trường là rất quan trọng và cần thiết Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đòi hỏi con người cũng phải thay đổi theo xu hướng thời đại để tiếp thu những ứng dụng của khoa học kỹ thuật vào đời sống và sinh hoạt hằng ngày

- Trong thế kỷ qua, nguồn năng lượng hóa thạch (hay còn gọi nguồn năng lượng truyền thống) là nguồn năng lượng quan trọng nhất, đáp ứng hơn 85% nhu cầu năng lượng cho sự vận hành nền kinh tế, chủ yếu là điện năng, nhiệt năng và nhu cầu nhiên liệu động cơ cho mọi hoạt động con người Chính vì thế, 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 KHKT phát triển như vũ bão hiện nay thì sự cạn kiệt của năng lượng hóa thạch dẫn đến sự tranh giành những tài nguyên môi trường, những ứng dụng của vật lý vào kỹ thuật (KT) 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 và sự cạn kiệt của chúng đang được dự báo bởi nhiều tính toán khoa học Hơn thế nữa, một vấn đề quan trọng khác mang tính thách thức toàn nhân loại, đó là nguồn năng lượng hóa thạch đã bọc lộ nhược điểm của mình Sự phát thải CO2 trong khi sử dụng, đã gây ra hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng lên, dẫn đến hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu Trước tình hình trên, đòi hỏi phải có một nguồn năng lượng mới thay thế cho nguồn năng lượng này

- Từ những yêu cầu trên làm em rất muốn đi sâu thêm để nghiên cứu đề tài: “Pin

Quang Điện và Ứng Dụng”

2 Giới hạn đề tài

Đề tài này nghiên cứu pin quang điện và ứng dụng của pin quang điện

3 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu lý luận, lý thuyết về Pin Mặt Trời và Ứng Dụng Kiến thức Vật lý

có ý nghĩa thực tiễn, có nhiều ứng dụng trong thực tiễn

- Từ vấn đề lý luận xây dựng các bước thực hành

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về pin năng lượng Mặt Trời và một số ứng dụng của pin Mặt Trời

- Nghiên cứu về nội dung và nguyên lý hoạt động “Pin Quang Điện và Ứng Dụng”

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết “Pin Mặt Trời và Ứng Dụng” từ những giáo trình, nghiên cứu sách, những trang web, các sách hướng dẫn và các tài liệu liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu kinh nghiệm của các thầy, mạch điện thực tế và các đoạn video có liên quan

6 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: Hoàn chỉnh đề tài báo cáo thử

- Giai đoạn 6: Bảo vệ luận văn

7 Các chữ viết tắt trong đề tài

- Pin Mặt trời: PMT - Công nghiệp hóa: CNH

- Hiện đại hóa: HĐH - Khoa học kỹ thuật: KHKT

- Kỹ thuật: KT - Xã hội: XH

- BĐK: BĐK

PHẦN NỘI DUNG

A CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương I: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Mặt trời, cấu tạo Mặt Trời

Mặt Trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,4.106

km (lớn hơn 110 lần đường kính Trái Đất), cách xa Trái Đất 150.106 km Khối lượng Mặt Trời khoảng

M0= 2.1030 kg Nhiệt độ trung tâm Mặt Trời thay đổi từ 10.106 K đến 20.106

K, trung bình khoảng 1560000K Ở nhiệt độ như vậy, vật thể không thể giữ được cấu trúc thông thường gồm các nguyên tử và phân tử Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân 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

Cũng giống như Trái Đất, Mặt Trời cũng có nhiều lớp khác nhau tạo nên cấu trúc của nó Nhưng Mặt Trời không giống Trái Đất ở chỗ, nó hoàn toàn là một quả cầu khí, không có một bề mặt chất rắn nào cả Mặc dù Mặt Trời hoàn toàn được tạo ra bằng các khí, nhưng tỷ trọng và nhiệt độ của các khí có sự khác biệt rất lớn từ phần trung tâm cho đến phần xa nhất Ở phần trung tâm của Mặt Trời, tỷ trọng bằng 150 gam/cm3 (gấp 10 lần tỷ trọng của vàng hoặc chì) Càng xa trung tâm Mặt Trời, nhiệt

độ và tỷ trọng càng giảm

Mặt trời có cấu tạo gồm 3 phần: Phần lõi, bức xạ và tầng đối lưu

- Phần lõi: Phần lõi của Mặt trời là khu vực trung tâm, có độ dày gần bằng 25 %

bán kính Mặt Trời, là nơi các phản ứng hạt nhân tổng hợp hyđro để hình thành Heli Những phản ứng này giải phóng năng lượng mà về sau nó đi ra khỏi mặt trời dưới dạng các ánh sáng nhìn được Tại đây, trọng lực sẽ hút tất cả mọi vật hướng vào trong

và tạo ra một áp lực rất lớn Chính áp lực này đã tác động khiến cho các nguyên tử khí Hyđro kết hợp với nhau để tạo ra phản ứng hạt nhân Hai nguyên tử Hyđro được kết hợp để tạo ra nguyên tử Heli – 4 và năng lượng theo các bước sau:

a Hai proton kết hợp với nhau tạo ra một Đơteri (nguyên tử Hyđro kết hợp với một nơtron), một pozitron (phần rất nhỏ của vật chất có điện tích dương và có cùng khối lượng với electron) và một nơtrinô

b Một proton kết hợp với một nguyên tử Đơteri để tạo ra một nguyên tử

c Heli – 3 (hai proton kết hợp với một nơtron) và một tia gam - ma

d Hai nguyên tử Heli – 3 phản ứng với nhau tạo thành một Heli – 4 (hai proton và hai nơtron) và hai proton

Những phản ứng này tạo ra 85% nguồn năng lượng Mặt trời, 15% còn lại được tạo ra từ các phản ứng dưới đây:

a Một nguyên tử Heli – 3 và một nguyên tử Heli – 4 kết hợp với nhau tạo thành một nguyên tử Berili – 7 (bốn proton và 3 nơtron) và một tia gamma

b Một Berili – 7 hút một electron để tạo thành một Lithi – 7 (ba proton

và bốn nơtron) và một nơtrinô

c Một Lithi – 7 kết hợp với một proton tạo thành hai nguyên tử Heli – 4 Nguồn năng lượng được phát ra dưới nhiều dạng ánh sáng (tia cực tím, các tia X, ánh sáng có thể nhìn thấy được, tia hồng ngoại, các sóng ngắn và sóng radio) Mặt Trời cũng phát ra các hạt mang năng lượng (nơtron và proton) tạo ra gió Mặt Trời Nguồn năng lượng chiếu xuống Trái Đất giúp sưởi ấm hành tinh này, tác động lên sức khỏe của con người và cung cấp các nguồn năng lượng cho đời sống Chúng ta hầu như không bị các bức xạ và gió Mặt Trời làm hại bởi vì đã có bầu khí quyển bảo vệ

- Tầng bức xạ: là phần tiếp theo phần lõi, chiếm 55% bán kính Mặt Trời Ở khu

vực này, năng lượng từ phần lõi được truyền đi xa hơn nhờ các photon (lượng tử ánh sáng) Khi một lượng tử ánh sáng được hình thành, nó sẽ di chuyển được khoảng 1 micromet (một phần triệu mét) trước khi bị hút bởi các nguyên tử khí Sau khi hút các photon, các phân tử khí sẽ bị đốt nóng và lại tiếp tục phát ra các lượng tử ánh sáng khác với bước sóng tương tự Các lượng tử ánh sáng được tái phát đó cũng đi thêm được một quãng đường là 1m và cũng bị các phân tử khí khác hấp thụ, chu trình này được lặp lại liên tục, mỗi sự tương tác giữa lượng tử ánh sáng và các phân tử khí đều mất một lượng thời gian nhất định Quá trình hấp thụ và tái phát này diễn ra khoảng

1025 lần trước khi một lượng tử ánh sáng đi đến được bề mặt, vì vậy khoảng thời gian

để một lượng tử ánh sáng được tạo ra ở phần lõi và sau đó đi đến được bề mặt là rất đáng kể

- Tầng đối lưu: nằm trong khoảng 30% bán kính còn lại, nơi có các dòng đối

lưu hoạt động và mang năng lượng đi ra khỏi bề mặt của Mặt trời Các dòng đối lưu này làm tăng hoạt động của các khí nóng bên cạnh đó làm giảm hoạt động của các dòng khí lạnh Các dòng đối lưu mang các lượng tử ánh sáng ra khỏi bề mặt của Mặt Trời nhanh hơn quá trình chuyển giao các bức xạ xảy ra giữa phần lõi và phần bức xạ Với rất nhiều sự tương tác diễn ra giữa các lượng tử ánh sáng và phân tử khí trong các tầng bức xạ và tầng đối lưu, một lượng tử ánh sáng mất gần 100000 đến 200000 năm

để tới bề mặt

Phía trên bề mặt của Mặt Trời là bầu khí quyển bao gồm 3 phần:

Phần quyển sáng: là khu vực thấp nhất trong bầu khí quyển Mặt trời mà tại đó

có thể nhìn thấy Trái đất, rộng khoảng 300 – 400km và có nhiệt độ trung bình là

5.800K Nó xuất hiện dưới dạng bong bóng hoặc kết tạo thành hạt, giống với bề mặt

của một bình nước đang sôi Khi đi ra khỏi quyển sáng thì nhiệt độ sẽ giảm và các khí

sẽ trở nên lạnh hơn, do vậy nó không phát ra nguồn năng lượng ánh sáng nữa Vì thế,

rìa ngoài cùng của quyển sáng sẽ tối lại và một hiệu ứng rìa tối đã chiếm toàn bộ phần

xung quanh Mặt trời

Phần quyển sắc: nằm phía trên và cách phần quyến sáng khoảng 2000km, Nhiêt

độ chảy dọc phần quyển sắc tăng từ 4500K đến 10000K Người ta cho rằng phần

quyển sắc bị đốt nóng là do sự đối lưu xảy ra phía dưới tầng quyển sáng Khi các chất

khí chuyển động hỗn loạn trong vùng quyển sáng, chúng sẽ tạo ra các sóng làm đốt

nóng các khí xung quanh và phóng chúng vào vùng quyển sắc dưới dạng các tia khí

nóng nhỏ gọi là các gai nhỏ Mỗi cái gai cách quyển sáng khoảng 5000km và tồn tại

một vài phút Những cái gai này cũng kéo theo sau một đường từ trường của Mặt Trời

mà nó được tạo ra bởi sự chuyển động của các khí bên trong Mặt Trời

Vầng hào quang: là lớp cuối cùng của Mặt Trời và trải dài hàng triệu km phía

ngoài vùng quyển sáng Chúng ta có thể quan sát nó rõ nhất vào thời điểm nhật thực và

trong các bức ảnh của mặt trời được chụp bằng tia X Nhiệt độ của quầng trung bình là

2 triệu độ K, mặc dù không có ai có thể giải thích vì sao quầng lại nóng như vậy,

nhưng theo một số phỏng đoán thì nguyên nhân là do từ tính Mặt Trời Vầng quầng có

những khu vực sáng và nóng cũng như nhưng khu vực tối gọi là các lỗ vòng hoa Các

lỗ vòng hoa tương đối lạnh và được xem là nơi hình thành các phân tử gió Mặt Trời

1.2 Năng lượng Mặt trời

Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt

Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra

Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời

hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa

Về mặt vật chất thì Mặt Trời chứa đến 78,4% khí hydro (H2), heli (He) chiếm

19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%

Năng lượng do Mặt Trời búc xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ Mỗi giây trôi

qua, Mặt Trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,865.1026 J, tương đương với

năng lượng đốt cháy 1,32.1016

tấn than đá tiêu chuẩn Nhưng bề mặt Quả Đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng 17,57.1016 J hay tương đương năng lượng đốt

cháy của 6.106

tấn than đá

Năng lượng khổng lồ từ Mặt Trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạt nhân Theo thuyết tương đối của Einstein và qua phản ứng nhiệt hạch hạt nhân khối lượng có thể chuyển thành năng lượng Nhiệt mặt ngoài của Mặt Trời khoảng 6000K, còn ở bên trong Mặt Trời có thể lên đến hàng triệu độ Áp suất bên trong Mặt Trời cao hơn 340.108MPa Do nhiệt độ và áp suất bên trong Mặt Trời cao như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lượng rất lớn Chúng va chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân Người ta đã xác định được nguồn năng lượng Mặt Trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây

ra Đó là phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân cacbon và nitơ (C – N) và phản ứng

hạt nhân proton – proton

a Quá trình phản ứng tuần hoàn C – N:

Quá trình có thể mô tả như sau:

Như vậy ta thấy sau chuỗi phản ứng nói trên, hạt nhân 12

6

C lại trở về đồng vị 12

6

C Điều đó có nghĩa là phản ứng hạt nhân C – N có tính tuần hoàn Trong quá trình phản

ứng một lượng hydro bị tiêu hao và chuyển thành năng lượng

b Phản ứng tuần hoàn proton – proton có thể viết như sau:



 h e

D H

H   2    

1 1 1 1 1

D

1 1 4 2 3

2 3

He là các đồng vị của hạt nhân Heli

Cả hai loại phản ứng nói trên đều có kết quả chung là phản ứng kết hợp bốn hạt nhân nguyên tử hydro để tạo ra hạt nhân nguyên tử heli (hạt  ) Ta biết khối lượng của hạt nhân hydro hay proton và Heli là: m p  1 , 672 1024g

m  6 , 644 1024g

Từ đó độ hụt khối m của phản ứng kết quả sẽ là:

m4 m p m 0 , 044 1024g

Hay bằng 0,7 % tổng khối lượng của 4 proton Từ biểu thức của Einstein

E = m1.c2 ta tính được bằng năng lượng được giải phóng ra khi 1g hạt nhân tạo phản ứng sẽ là 9.1013

J Như vậy khi có 1g proton tham gia phản ứng hạt nhân thì tiêu hao mất 0,7 %g và phát ra một năng lượng là:

9.1013J x 0,7 % = 6,3.1011J Như trên đã cho thấy, mỗi giây Mặt Trời bức xạ một năng lượng là 3,8.1026

J Như vậy trong mỗi giây lượng nhiên liệu Hydro tham gia phản ứng là (3,8.1026/6,3.1011) = 6,03.108 tấn Tổn thất khối lượng thực tế là:

6,03.108 x 0,7 % = 4,22.106 tấn/giây

Như đã nói ở trên, khối lượng của Mặt Trời xấp xỉ 2.1027tấn Như vậy để Mặt Trời chuyển hóa hết khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 15.1013năm Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng lượng Mặt Trời là khổng lồ và lâu dài

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 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 k dao động điện từ được gọi là bước sóng 

Trong chân không vận tốc truyền của sóng điện từ gần đúng bằng c = 3.108 m/s còn trong môi trường vật chất, vận tốc truyền của sóng nhỏ hơn và bằng

lý học, hóa học và sinh học rất khác nhau Nói riêng trong vùng nhìn thấy được, sự khác nhau về bước sóng gây cho ta cảm giác màu sắc khác nhau của ánh sáng Khi đi

từ bước sóng dài = 700 nm đến giới hạn sóng ngắn = 400 nm ta nhận thấy màu sắc của ánh sáng thay đổi liên tục từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím Mắt người nhạy nhất đối với ánh sáng màu vàng có bước sóng = 580 nm Sự phân bố năng lượng đối với các bước sóng khác nhau cũng khác nhau

Quang phổ ước sóng M t đ năng lượng

6,978.10-56,978.10-77,864.106 2,122.1018,073.101

0,57 1,55 5,90

Tia nhìn thấy

0,40 ÷ 0,52 m 0,52 ÷ 0,62 m 0,62 ÷ 0,78 m

2,240.1021,827.1022,280.102

16.39 13,36 16,68

Tia hồng ngoại

0,78 ÷ 1,40 m 1,40 ÷ 3,00 m 3,00 ÷ 100,00 m

4,125.1021,836.1022,637.101

30,18 13,43 1,93

Sóng vô tuyến điện

0,10 ÷ 10,00 cm 10,00 ÷ 100,00 cm 1,00 ÷ 10,00 m

6,978.10-96,978.10-106,978.10-9

ng 1.1 Ph n bố ph bức xạ Mặt Trời theo bư c s ng

Hình 1.2 Thang s ng điện t của bức xạ Mặt Trời

Bảng 1.1 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 năng lượng 0,57%) đến = 3,0m (hồng ngoại, tỷ lệ mật độ năng lượng 1,93 %), còn ngoài vùng

đó mật độ năng lượng không đáng kể

Như vậy, khi bức xạ Mặt Trời đi qua tầng khí quyển bao quanh Quả Đất, nó bị các phân tử khí, các hạt bụi, hấp thụ hoặc bị làm phát xạ, nên phổ và năng lượng Mặt Trời khi đến bề mặt Quả Đất bị thay đổi rất đáng kể

Còn bảng 1.2 là quan hệ màu sắc của ánh sáng và bước sóng của nó

a Bức xạ hạt chủ yếu gồm các proton và điện tử, ở gần Trái Đất có vận tốc tới

300 – 1.500 km/s và mật độ 5 – 80 ion/cm3, nếu hoạt động Mặt Trời tăng có thể lên tới

103 ion/cm3 Năng lượng bức xạ hạt của Mặt Trời thường thấp hơn năng lượng bức xạ nhiệt 107 lần, và thâm nhập vào tầng khí quyển không quá 90km

b Bức xạ điện từ, khi tới bề mặt Trái Đất, có hai dạng: bức xạ trực tiếp và bức

xạ khuếch tán Có bước sóng từ bức xạ gamma đến sóng vô tuyến với năng lượng cực đại ở vùng quang phổ nhìn thấy Khi qua khí quyển Trái Đất, các bức xạ sóng ngắn có hại cho sự sống hầu như bị lớp ozon hấp thụ hoàn toàn Ngày nay do công nghiệp phát triển, các chất CFC thải vào khí quyển đang phá huỷ lớp ozon, tạo ra nguy cơ bức xạ sóng ngắn sẽ tiêu diệt sự sống trên Trái Đất nếu mất đi lớp ozon

Năng lượng bức xạ Mặt Trời thường biểu diễn bằng cal/cm2.min

Ở giới hạn trên của khí quyển, bức xạ Mặt Trời khoảng 2 cal/cm2.min (hằng số

Mặt Trời); có phổ nằm trong dải bước sóng 0,17 – 4μm với cực đại ở khoảng 0,475μm

Toàn bộ Trái Đất nhận được từ Mặt Trời 2,4.1018cal/min, gồm 48 % năng lượng thuộc

dải phổ ánh sáng nhìn thấy được (λ = 0,4 - 0,76μm), 7% tia cực tím (λ < 0,4μm) và

45% thuộc dải phổ hồng ngoại (λ > 0,76μm) Trong khí quyển, bức xạ Mặt Trời một

phần bị các đám mây phản xạ, một phần bị hấp thụ biến thành nhiệt, một phần bị các phân tử, các tạp chất khuếch tán thành bức xạ khuếch tán chiếu sáng mặt đất về ban ngày Bức xạ Mặt Trời tới được mặt đất, một phần bị phản xạ lại, một phần được hấp thụ làm nóng mặt đất và lớp nước bên trên Năng lượng bức xạ Mặt Trời đang được nghiên cứu ứng dụng cho sản xuất và đời sống Đó là nguồn năng lượng rất có triển vọng của tương lai: sạch và nguồn có sẵn Tuy nhiên giá sử dụng bức xạ Mặt Trời còn cao vì công nghệ tập trung và biến đổi bức xạ Mặt Trời còn kém hiệu quả.

Chương II PIN MẶT TRỜI

Năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng sạch và có thể coi là vô tận Một trong các kỹ thuật sử dụng năng lượng Mặt Trời là sản xuất điện năng – điện Mặt Trời

Để sản xuất điện Mặt Trời người ta sử dụng hai công nghệ: nhiệt Mặt Trời và pin quang điện Trong công nghệ thứ nhất, năng lượng Mặt Trời được hội tụ nhờ các hệ thống gương hội tụ (như máng parabol, gương cầu, ) để tập trung ánh sáng Mặt Trời thành các nguồn nhiệt có mật độ năng lượng và do đó có nhiệt độ rất cao, có thể làm bốc hơi nước ở nhiệt độ và áp suất lớn và sau đó làm quay các tuabin để sản xuất ra điện năng Còn trong công nghệ pin Mặt Trời, năng lượng Mặt Trời được trực tiếp biến đổi thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là các pin Mặt Trời, được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn điện Các pin Mặt Trời sản xuất ra điện năng một các liên tục chừng nào còn có bức xạ Mặt Trời tới nó Các hệ thống năng lượng pin Mặt Trời rất đơn giản, không có phần chuyển động, không đòi hỏi phải bảo

dư ng chăm sóc thường xuyên như các hệ thống Mặt Trời khác nên các hệ thống khác rất được quan tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng Ngay từ năm 1950 các pin Mặt Trời đã trở thành nguồn điện tốt nhất cho các vệ tinh nhân tạo và hiện nay là các tàu vũ trụ Đặc biệt 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

Dưới đây chúng ta sẽ nghiên cứu công nghệ pin Mặt Trời

2.1 Hiệu ứng quang – điện

Hiệu ứng quang điện là một 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

2.1.1 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 ngư ng (tần số ngư ng 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 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 (external photoelectric effect) Các điện tử không thể phát

ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngư ng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát) Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngư ng, 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 hiêu 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 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 Mặt Trời,

2.1.2 Các đ nh lu t quang điện và giải thích

Có nhiều người đưa ra các mô hình giải thích khác nhau về hiệu ứng quang điện tuy nhiên đều không thành công do sử dụng mô hình sóng ánh sáng Albert Einstein là người giải thích thành công hiệu ứng quang điện bằng cách sử dụng mô hình lượng tử ánh sáng Heinrich Hertz và Stoletov là những người nghiên cứu chi tiết về hiệu ứng quang điện và đã thành lập các định luật quang điện

a Ở mỗi tần số bức xạ và mỗi kim loại, cường độ dòng quang điện (cường độ dòng điện tử phát xạ do bức xạ điện từ) tỷ lệ thuận với cường độ chùm sáng tới

b Với mỗi kim loại, tồn tại một tần số tối thiểu của bức xạ điện từ mà ở dưới tần số đó, hiện tượng quang điện không xảy ra Tần số này được gọi là tần số ngư ng, hay giới hạn quang điện của kim loại đó

c Ở trên tần số ngư ng, động năng cực đại của quang điện tử không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng tới mà chỉ phụ thuộc vào tần số của bức xạ

d Thời gian trong quá trình từ lúc bức xạ chiếu tới và các điện tử phát ra là rất ngắn, dưới 10-9

giây

Albert Einstein đã sử dụng Thuyết lượng tử để lý giải hiện tượng quang điện

Mỗi photon có tần số f sẽ tương ứng với một lượng tử năng lượng có năng lượng

ε = hf

Ở đây, h là hằng số Planck

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 Φ)

Cung cấp cho điện tử một động năng ban đầu 2

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

hƒ Φ = hƒo

có nghĩa là hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi ƒ ƒo

2.1.3 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 2.1a

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng – photon – có năng lượng h(hlà hằng số Planck,  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:

h  E2 E1 (2.1)

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của các hạt tinh thể lên điện tử vành ngoài, 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 (hình 2.1b)

Khi chiếu sáng vật rắn có cấu trúc vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng h 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

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô bằng phương trình sau: E v h e h

hc E E

hc

g g v c



 (2.2) Trong đó năng lượng được tính bằng eV

÷ 10-1 giây và gây ra dao động mạnh Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là: hvE g

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 eh, tức là

đã tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong

2.1.4 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện

Từ các trình bày ở trên ta có thể xác định được giới hạn lý thuyết của hiệu suất 

biến đổi năng lượng quang điện của hệ thống hai mức:

) (

) (

d J E

g

E (vì c cũng là hàm số của E g) như được trình bày trong hình 2.2

Ta thấy trên hình,  có một cực đại ma  0 , 44 xung quanh giá trị E g  1 , 5 eV Kết qủa này có tính tổng quát và áp dụng cho các hệ hai mức năng lượng bất k

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

- Các photon có năng lượng hvE g hay  c không bị điện tử hấp thụ để tạo cặp e h, mà truyền qua vật rắn

- Do quá trình hồi phục, điện tử và lỗ trống giải phóng năng lượng EhvE g

cho mạng tinh thể vật rắn để tới đáy cùng vùng năng lượng

Đối với bán dẫn silicon Si, E g  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 

e và 

h tớicác

bờ vùng E c và E v, như được chỉ ra trên hình 2.3 Như vậy, đối với quá trình quang điện trên vật liệu Si thì  0,44

2.1.5 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

tử và lỗ trống eh liên kết yếu với nhau

Để có thể tạo ra dòng điện, trước hết cần tách 

e và h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 2.4 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 chủ yếu do

lỗ trống có mật độ pp, nó gần bằng mật độ nguyên tử tạp chất cceptor NA được pha vào bán dẫn tinh khiết

Về mặt năng lượng, sự pha các tạp chất Donor và cceptor 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 bán bằng các dấu “+” trong hình 2.4 Ngược lại, các mức tạp cceptor 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 với nhau, tạo ra một tiếp xúc điện tử pn, thì

do chênh lệch về mật độ hạt dẫn, các điện tử sẽ khuếch tán tử bán dẫn n sang bán dẫn

p, còn lỗ trống thì khuếch tán ngược lại Sự khuếch tán này làm cho phía bán dẫn n sát với lớp tiếp xúc tích điện dương, còn phía bán dẫn loại 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 2.5 ngăn cản 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 vật liệu và nhiệt độ của miền tiếp xúc và có thể biểu diễn bằng công thức sau:

i

p n tx

n

N N q

kT n

p n q

n

p n kT

qU  (2.4)

Vì

n p

p

n tx

p p n n i

p

p kT n

n kT qU n

p p n

n2     ln  ln

Trong đó ni là mật độ điện tử dẫn trong bán dẫn chưa pha tạp chất, nó cũng bằng mật độ lỗ trống pi;

T là nhiệt độ miền tiếp xúc pn;

k là hằng số Boltzmann và q là điện tích của điện tử

Ở trạng thái cân bằng, độ cao hàng rào thế V DqU txcó giá trị gần bằng độ rộng vùng cấm Eg của vật liệu và điện trường tiếp xúc có gía trị khoảng Etx ~ 104 ÷ 105V/cm3 Độ dày của lớp tiếp xúc W được xác định theo công thức:

d a

tx d a p

n

N N q

U N N W

W W

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

2.1.6 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 xucspn và nghiên cứu sự phụ thuộc của dòng điện qua lớp tiếp xúc vào hiệu điện đặt vào nó như hình 2.6

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 2.6a) khi

đó, điện trường ngoài E0 và điện trường tiếp xúc Etx cùng chiều 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 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 bảo 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 2.5) theo hiệu điện thế ngoài Hình 2.7 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 2.8 cho đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của dòng diện 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 khi lớp 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:

I d S (2.5) Trong công thức (2.5) 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 n,pcủa chúng theo biểu thức sau:

Sp Sn p

p n

n

n p

2.1.7 Đường đặc trưng A sáng – sự tạo dòng quang điện

Chiếu sáng lớp 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 song 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

Hình 2.6 Các mạch điện đo đặc trưng VA

ngoài là hiện tượng các điện tử thoát khỏi bề mặt kim loại khi chiếu ánh sáng thích hợp vào bán dẫn bề mặt kim loại)

Cần chú ý rằng, chỉ có cặp e h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



h

e (hình 2.9) 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 (tốc độ chuyển động/một đơn vị điện trường) và thời gian sống trung bình  của cặp trước khi bị tái hợp:

L D  fL p,L n

 2

1 2

1

n n n

1

p p p

Ở đây Nph là số các cặp eh được tạo ra trong giới hạn bước song c Khi cho K = 1, Nph và do đó Iph là hàm số của Eg (thông qua c) và được biểu diễn trong hình 2.10

Ta hãy nghiên cứu đường đặc trưng von - ampe của lớp tiếp xúc pn được chiếu sáng Như đã nói ở trên, dưới tác dụng của một chùm sáng có cường độ không đổi, trong mạch xuất hiện một dòng quang điện, nó là dòng chuyển động của các hạt dẫn không cơ bản, luôn luôn có chiều qua lớp tiếp xúc từ n sang p và có giá trị Iph Dòng tổng cộng qua lớp tiếp xúc pn khi đặt một nguồn thế ngoài V (xem hình 2.11) có thể biểu diễn bởi tổng đại số của hai dòng, dòng quang điện Iph và dòng diot Id như sau:     exp 1

kT

qV I

I I I

I ph d ph S (2.9) Đường đặc trưng I = f(V) theo (2.9) gọi là đường đặc trưng V sáng của tiếp xúc bán dẫn pn (đường 2 trong hình 2.8) Từ đó có thể thấy là đường đặc trưng sáng

V của lớp tiếp xúc pn có thể suy ra từ đường đặc trưng V tối của nó bằng cách tĩnh biến theo trục OI trên hệ trục tọa độ OIV một giá trị bằng dòng Iph

Như vậy một lớp tiếp xúc bán dẫn pn khi được chiếu sáng có thể trở thành một máy phát điện, cho công suất điện mạch ngoài hữu ích Thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện trong trên lớp bán dẫn pn để biến đổi trực tiếp năng lượng của ánh sáng Mặt Trời thành điện năng được gọi là pin quang điện hay pin Mặt Trời Chúng ta sẽ nghiên cứu kỹ hơn các đặc trưng cơ bản của pin Mặt Trời ở các mục sau

2.2 Pin Mặt Trời

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, 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 Sự chuyển

đổi nay gọi là hiệu ứng quang điện

Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng

Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng

trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt đ ng của pin Mặt Trời

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 là pin Mặt Trời

Pin Mặt Trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin Mặt Trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại năng lượng, người ta pha tạp chất donor là photpho (P) có hóa trị 5 Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất acceptor dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3 Đối với pin Mặt Trời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế ở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, còn dòng đoãn mạch của nó dưới bức xạ Mặt Trời 1000W/m2 vào khoảng (25 30)mA/cm2

Hiện nay người ta cũng đã đưa ra thị trường các pin Mặt Trời bằng vật liệu Si vô định hình (a – Si) Pin Mặt Trời a – Si có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất

do đó có thể có giá thành r hơn Tuy nhiên, so với pin Mặt Trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làm việc ngoài trời

Ngoài Si, người ta còn nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều hứa h n như hệ bán dẫn hợp chất bán dẫn nhóm III – V, sunfit cadmi – đồng (CuCdS), galium - arsenit (GaAs), Tuy nhiên, hiện nay việc nghiên cứu chế tạo và sử dụng các pin Mặt Trời từ các vật liệu khác Si chỉ mới ở phạm vi và quy mô thí nghiệm Một hướng khác nhằm nâng cao hiệu suất biến đổi quang điện của pin Mặt Trời

là thiết kế, chế tạo các pin Mặt Trời gồm một số lớp tiếp xúc pn để tăng cường khả năng hấp thụ photon có năng lượng khác nhau trong phổ bức xạ Mặt Trời

2.2.2 Các đặc trưng điện của pin Mặt Trời

2.2.2.1 Sơ đ 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 Mặt Trời phát ra một dòng quang điện Iph Vì vậy pin Mặt

Trời có thể xem như một nguồn dòng

Lớp tiếp xúc bán dẫn pn có tính chỉnh lưu tương đương 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 2.11

Từ sơ đồ ta có thể dễ dàng viết được phương trình đặc trưng sáng von – ampe

của pin Mặt Trời như sau:

sh

s s

s ph sh d ph

R

I R V nkT

I R V q I

I I I I

q là điện tích của điện tử (C)

Thông thường điện trở sơn Rsh rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số hạng cuối trong biểu thức (2.10) Đường đặc trưng sáng von – ampe của pin Mặt Trời cho bởi biểu

thức có dạng như đường cong trong hình 2.11 Có 3 điểm quan trọng trên đường đặc trưng này:

S S

ph SC

R

I R nkT

I qR I

ph OC

S

nkT

qV I

I nkT

qV I

I

S S

S

S ph OC

I

I I q

I

I q

nkT

V  ln (2.13) Trong biểu thức của VOC ta thấy nó phụ thuộc vào nhiệt độ một các trực tiếp (thừa số T ở trước biểu thức) và gián tiếp qua dòng bão hòa Is Như dã biết, dòng bão

hòa Islà dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt và bị gia tốc bởi điện trường tiếp xúc Khi nhiệt độ của pin Mặt Trời tăng dòng bão hòa Is cũng tăng lên theo hàm mũ:

qAL L

OC

KN

A g L q

nkT q

C thì VOC giảm khoảng 2mV/0

C, còn dòng quang điện tăng lên khoảng 0,03mA/cm2

.0C Hình 2.13 cho thấy sự phụ thuộc của đặc trưng sáng

V của pin Mặt Trời tinh thể Si vào nhiệt độ trong khoảng nhiệt độ từ – 400C đến + 600C

Hình 2.12 Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin Mặt Trời

vào cường độ bức xạ Mặt Trời

2.2.2.4 Điểm làm việc c ng suất cực đại P M

Xét một đường đặc trưng V của pin Mặt Trời đối với một cường độ bức xạ cho trước và ở nhiệt độ xác định Nếu các cực của pin Mặt Trời được nối với một tải tiêu thụ điện R thì điểm cắt nhau của đường đặc trưng V của pin Mặt Trời và đường đặc trưng của tải trong tọa độ OIV là điểm làm việc của pin Mặt Trời Nếu tải tiêu thụ điện của pin Mặt Trời là một tải điện trở Ohm thuần, thì đường đặc trưng tải là một đường

th ng qua gốc tọa độ và có độ nghiêng  đối với trục OV và

Hình 2.13 Sự phụ thuộc của đặc trưng sáng VA của pin

Mặt Trời vào nhiệt độ của pin

Hình 2.14 Điểm làm việc và điểm làm việc

công suất cực đại

Giá trị của điện trở tải tối ưu ROPT được xác định từ các thế và dòng của nó theo

định luật Ohm:

OPT

OPT OPT

I

V

R 

Ở điều kiện cường độ bức xạ không đổi và ở nhiệt độ cho trước ta thấy:

- Nếu điện trở tải R nhỏ, R << ROPT, pin Mặt Trời sẽ làm việc trong miền MN

(hình 2.14) là miền mà cường độ dòng điện gần như không đổi và gần bằng dòng đoãn

mạch ISC

- Nếu điện trở tải lớn, R >> ROPT, pin Mặt Trời sẽ làm việc trong miền PS

(hình 2.14), với hiệu điện thế gần như không đổi và gần bằng thế hở mạch VOC

Rõ ràng là pin Mặt Trời chỉ làm việc có hiệu quả khi tải tiêu thụ điện có giá trị

lân cận ROPT Điều này không phải lúc nào cũng dễ dàng đạt được bởi vì điểm làm việc

ngay đối với một máy tiêu thụ điện cũng thay đổi Ngoài ra bức xạ Mặt Trời và nhiệt

độ của môi trường thay đổi liên tục theo thời gian, nên đường đặc trưng V của pin

Mặt Trời cũng thay đổi và do đó làm dịch chuyển điểm làm việc ra khỏi điểm làm việc

tối ưu Dưới đây ta sẽ xét một số tải tiêu thụ điển hình trong các hệ pin Mặt Trời được

dùng hiện nay, và sẽ thấy rằng, đối với mỗi loại tải, việc thiết kế để hệ thống đạt được

hiệu suất cao, đòi hỏi những yêu cầu riêng

2.2.2.5 Các điều iện về tải tiêu thụ điện

Tải là tên gọi chung cho các thiết bị tiêu thụ điện (ví dụ: đèn, acquy, máy bơm,

radio, ) Trong trường hợp tổng quát, điểm làm việc của pin Mặt Trời hay hệ pin Mặt

Trời cũng được xác định bởi điểm cắt giữa các đường đặc trưng V của nó và đường

tải Ở đây ta chỉ xét đến các tải tiêu thụ điện một chiều

Một số tải tiêu thụ như các acquy điện hóa là tải có điện thế gần như không đổi,

đường đặc trưng V của nó là một đường gần song song với trục OI trên mặt ph ng

tọa độ IOV (đường 5, hình 2.15) Trong khi đó bơm nước loại pittông (có bánh xe

quán tính) ở một cột nước cho trước là tải có dòng không đổi, đường đặc trưng của nó

(đường 3, hình 2.15) là một đường gần song song với trục OV Trong hình này cũng

vẽ một số đường tải khác như bơm ly tâm và điện trở thuần Ohm

Như đã trình bày ở trên, một đặc điểm của hệ thống pin Mặt Trời là đặc trưng

V của nó thay đổi theo cường độ ánh sáng Mặt Trời chiếu lên nó Ở mỗi cường độ

sáng cho trước, hệ có một đường đặc trưng và do đó một điểm làm việc cho công suất

cực đại riêng Tập hợp các điểm làm việc cho công suất cực đại đối với các cường độ

sáng khác nhau tạo ra một đường gọi là đường công suất cực đại (đường nét đứt trong hình 2.15)

Hình 2.16 Sơ đồ khối hệ nguồn pin Mặt Trời đơn gi n

Để đánh giá sự phù hợp giữa một nguồn năng lượng pin Mặt Trời và một tải tiêu thụ nào đó, ta có thể xem xét đường công suất cực đại của nguồn và đường tải của thiết bị tiêu thụ điện Rõ ràng nếu tải là một bơm ly tâm nối trực tiếp với pin Mặt Trời hoặc acquy điện hóa thì dễ dàng tạo sự phù hợp tốt Các trường hợp tải bơm pittông hoặc điện trở thì rất khó tạo được hệ thống cho hiệu quả cao

Một hệ thống năng lượng pin Mặt Trời (đơn giản) thông thường có 3 phần như hình 2.16 Tấm pin Mặt Trời nhận năng lượng ánh sáng để biến đổi thành điện năng

Bộ acquy tích trữ năng lượng cho những khi không có nắng (vì ban đêm hoặc ngày không có nắng) Tải là các thiết bị tiêu thụ điện như đèn chiếu sáng, radio, TV, các thiết bị thông tin, bơm nước,

Các thành phần này thường được mắc song song Theo định luật Kirchoff về dòng điện ta có: I P I B I L

Với IP là dòng do tấm pin Mặt Trời phát ra

IB là dòng qua nạp cho acquy

IL là dòng tải tiêu thụ

Tùy theo dấu của (I P I L)I B mà có thể xác định được vị trí tương đối giữa đường đặc trưng von - ampe của tấm pin Mặt Trời và của tải phụ thuộc vào sự biến đổi của cường độ bức xạ Mặt Trời Nếu IB > 0 thì acquy được nạp điện, còn nếu IB < 0 thì acquy phóng điện cấp cho tải

Hình 2.15 Các đường đặc trưng VA của pin Mặt Trời khi cường độ sang thay đ i và các đường đặc trưng t i điển hình

(1): đường công suất đại cực đại; (2): bơm ly t m;

(3): bơm pittông; (4): điện trở thuần; (5): acquy điện h a

Nếu trong hệ có thêm tải xoay chiều thì ngoài các thành phần trên trong hệ thống

còn phải thêm Bộ biến đổi điện, biến đổi điện một chiều từ acquy hay dàn pin Mặt

Trời thành điện xoay chiều

2.2.2.6 Các tham số ảnh hư ng đến chế đ làm việc và hiệu suất của pin Mặt Trời

Có năm tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin Mặt Trời

- Nhiệt độ của pin T

Ở điều kiện bức xạ bình thường (không hội tụ) các tham số trên có xem như các

tham số độc lập, chỉ trừ dòng điện bão hòa IS và nhiệt độ T

Điện trở sơn Rshm cho dòng dò qua lớp tiếp xúc pn, phụ thuộc vào công nghệ

chế tạo lớp tiếp xúc Thông thường giá trị của Rsh khá lớn, nên dòng dò có thể bỏ qua

Điện trở nội RS là tổng của các điện trở: điện trở tiếp xúc giữa điện cực dưới và

bán dẫn p, R1; điện trở lớp bán dẫn loại p, R2; điện trở lớp bán dẫn loại n, R3; điện trở

tiếp xúc giữa bán dẫn n và cực kim loại trên, R4; điện trở của cực lưới kim loại mặt

trên, R5 và điện trở của các thanh góp kim loại mặt trên, R6 (hình 2.17) Tức là:

1 2 3 4 5 6

6

1

R R R R R R R R

i i



(2.17)

Sự tăng theo RS hoặc sự giảm Rsh ảnh hưởng xấu đến công suất phát điện của pin

Mặt Trời Về mặt đồ thị, các điện trở này sẽ làm biến đổi dạng của đường đặc trưng

von - ampe của pin Mặt Trời RS gây ra sự giảm độ nghiên của đường đặc trưng

I = f(V) trong miền pin làm việc như một nguồn thế (hình 2.19) Còn điện trở sơn Rsh

làm tăng góc nghiên của đường đặc trưng trong miền pin Mặt Trời làm việc như một

nguồn dòng (hình 2.19)

2.2.2.7 Hiệu suất biến đổi quang – điện của pin Mặt Trời

Công suất đỉnh của pin Mặt Trời là công suất do pin Mặt Trời phát ra khi nó làm

việc ở điểm làm việc tối ưu dưới bức xạ có cường độ 1000W/m2

và ở nhiệt độ 250

C

Công suất đỉnh được đo bằng Wp hay kWp

Hiệu suất biến đổi quang điện của pin Mặt Trời là tỷ số giữa công suất điện đỉnh

và tổng năng lượng bức xạ tới pin Mặt Trời ở một nhiệt độ cho trước:

(100%)

.E0A

P opt



 (2.18) Trong đó:  là hiệu suất biến đổi quang điện (%);

là diện tích bề mặt pin Mặt Trời được chiếu sáng (m2

);

E0 là cường độ bức xạ chuẩn = 1000 W/m2

Đối với pin Mặt Trời tinh thể Si thương mại,  thường vào khoảng từ (12 ÷ 15%)

Trong phòng thí nghiệm,  có thể đạt đến (20 22%)

Như đã nói, nhiệt độ có ảnh hưởng lên các đặc trưng của pin Mặt Trời Cụ thể là

dòng quang điện tăng theo nhiệt độ với giá trị 0,1 % khi nhiệt độ tăng 10

C hay 0,03mA/0C.cm2 Sự tăng dòng quang điện của pin Mặt Trời là do sự giảm độ rộng

vùng cấm của vật liệu Eg khi nhiệt độ tăng thep định luật:

   

b T

aT E

Hình 2.17 Các thành phần của diện trở nội của pin Mặt Trời

Hình 2.18 Đặc trưng sáng VA của pin Mặt

Trời phụ thuộc điện trở nội R S

Hình 2.19 Đặc trưng sáng VA của pin Mặt Trời phụ thuộc điện trở nội R Sh

Với a và b là các hằng số phụ thuộc vào vật liệu, Eg là độ rộng vùng cấm của vật liệu ở T = 00K Dưới đây là giá trị của Eg(0), a và b của vài vật liệu pin Mặt Trời điển hình:

I S 0exp g (2.20)

Trong đó I0 I S(T   qAL D g0 (xem công thức 2.14) đóng vai trò là một hệ số

tỷ lệ

2.2.3 Nguyên lý của pin Mặt Trời nhiều mức năng lượng

Cho đến đây ta chỉ nghiên cứu sơ đồ hệ thống pin Mặt Trời hai mức hai vùng năng lượng và đã chỉ ra rằng giới hạn thực tế của hiệu suất biến đổi năng lượng của pin Mặt Trời ở 250C trên hệ hai mức là 0,25 Một trong các lý do quan trọng của hiệu suất thấp trong hệ thống hai mức là vì hệ chỉ hấp thụ các photon tới có năng lượng thỏa mãn điều kiện hv > Eg = E2 – E1 Tất cả các photon có năng lượng hv < Eg bị truyền qua vật liệu mà không gây ra hiệu ứng quang điện Vì vậy, người ta đã tìm kiếm các sơ

đồ để có thể tận dụng phần năng lượng truyền qua và qua đó có thể vượt qua giới hạn hiệu suất nói trên Dưới đây ta đã nghiên cứu các hệ thống pin Mặt Trời bao gồm một

số mức năng lượng

Trước hết xét sơ đồ hệ thống gồm ba hệ hai mức năng lượng có năng lượng dùng cấm giảm dần Eg1 > Eg2 > Eg3 (hay c1 c2 c3) như hình 2.38 Ánh sáng được chiếu

tới từ vật liệu có năng lượng cấm lớn Eg1 Các photon có năng lượng hv > Eg1 sẽ bị hệ thứ nhất hấp thụ Còn các photon có năng lượng hv < Eg1 sẽ tới được lớp tiếp xúc thứ hai Sau đó các photon có hv < Eg2 lại tiếp tục tới lớp tiếp xúc tiếp theo

Như vậy, một sơ đồ như trên có thể hấp thụ tất cả các photon có năng lượng

hv > Eg3 ; Eg3<< Eg1 (2.22)

Thay vì chỉ có một phần photon có năng lượng hv > Eg1 bị hấp thụ như trong sơ

đồ hệ thống hai mức Như vậy rõ ràng hiệu suất của sơ đồ ba hệ thống này sẽ cao hơn Năng lượng của bức xạ Mặt Trời (photon) được biến đổi thành điện năng qua hệ thống trên có thể biểu diễn như sau:

c

c c

c

c

g g

2 2

1

1

3 2

0

(2.23) Trong đó J là mật độ photon có bước sóng ;c1,c2,c3, là các bước sóng giới hạn quang điện trên các vật liệu có năng lượng cấm Eg1 , Eg2 , Eg3

Sơ đồ hàng rào thế trên hệ thống tổ hợp gồm ba hệ con trình bày trong hình 2.39

Về nguyên tắc khi tăng số lượng hệ thống con thì các photon bị hấp thụ cũng tăng lên và do đó hiệu suất biến đổi quang điện cũng tăng theo

Từ hình 2.39 ta có thể thấy rằng hệ thống gồm 3 lớp tiếp xúc pn được nối tiếp nhau Vì vậy, dòng quang điện được tạo ra trong các lớp con phải bằng nhau, tức là:

I ph I ph I ph qK J d qKN ph

n c

n c

1 (2.24) Điện thế hở mạch trên một lớp tiếp xúc pn có thể viết:

ph

D g

ocn

qKN

L Ag q

kT q

ph ph

oc m

qKN

L Ag q

kT n q

E qfKN

I fV

vật liệu nên số năng lượng bị giới hạn Ngoài ra hiệu suất chỉ tăng đáng kể khi n còn nhỏ, còn khi hn lớn sự tăng hiệu suất là không nhiều Vì vậy, ý tưởng xây dựng một hệ thống PMT nối tiếp nhiều lớp tiếp xúc thực tế chỉ giới hạn với n = 3 4

2.3 C ng nghệ chế tạo pin Mặt Trời

Hiện nay, khoảng 90% các pin Mặt Trời được sản xuất và ứng dụng là các pin Mặt Trời từ vật liệu silicon (Si) dưới dang hoặc đơn tinh thể, đa tinh thể hoặc vô định hình nhưng chủ yếu là dạng tinh thể Vì vậy dưới đây ta chỉ nghiên cứu công nghệ chế tạo pin Mặt Trời tinh thể Si Quá trình công nghệ này gồm sáu công đoạn như sau:

- Sơ lọc các thạch anh để có silicon có độ sạch kỹ thuật (độ sạch luyện kim)

- Làm sạch tiếp để có silicon có độ sạch bán dẫn

- Tạo các đơn tinh thể Si từ silicon có độ sạch bán dẫn

- Pha tạp để có Si-n và Si-p và tạo tiếp xúc pn

- Tạo tiếp xúc điện, điện cực, lớp chống phản xạ

- Tạo modun, kiểm tra, phân loại

Dưới đây chúng ta sẽ mô tả một cách tóm tắt các công đoạn nói trên

a/ Sơ lọc các thạch anh để có silicon có đ sạch ỹ thu t

Cát dùng làm vật liệu ban đầu chế tạo Si phải là cát giàu thạch anh Si2O (hàm lượng SiO2 vào khoảng 90% hoặc cao hơn) Trong lò hồ quang nhiệt độ cao, SiO2

được cho phản ứng với cacbon (C) để cho silicon (Si) có độ sạch kỹ thuật theo phản ứng:

SiHCl3 Si + khí bốc hơi Sản phẩm thu được là vật liệu đa tinh thể gồm các hạt đơn tinh thể Si nhỏ