Pin mặt trời là một hay một số thiết bị được thiết kế để chuyển đổi quang năng thành điện năng một cách trực tiếp. Nền tảng của pin mặt trời là các tế bào mặt trời (SC) hoạt động dựa vào hiệu ứng quang điện trong.
2.3.1. òng đoản mạch ISC
Dòng đoản mạch là dòng của hạt tải thiểu số bên trong pin mặt trời, hay là dòng quang điện. Dòng đoản mạch phụ thuộc vào ánh sáng kích thích và bản thân vật liệu làm pin mặt trời. Ta có công thức xác định mật độ dòng đoản mạch:
SC s E
I q b E Q E dE (2.1)
TÔ HOÀNG TRƯƠNG 16
Trong đó, ISC là mật độ dòng đoản mạch, q là điện tích nguyên tố, bs(E) là mật độ quang thông của ánh sáng kích thích, QE(E) là hiệu suất lượng tử của pin mặt trời đó là xác suất mà một photon chiếu tới có khả năng sinh ra một electron cho mạch ngoài, dE là năng lượng của photon kích thích tính trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian.
Pin mặt trời có hiệu suất cao tương ứng với ISC có giá trị lớn, ISC đạt giá trị cực đại khi thế ra của pin mặt trời bằng 0 tương ứng trường hợp pin chưa nối với mạch ngoài. Trong các giá trị ở công thức (2.1), ta thấy yếu tố quyết định làm thay đổi hiệu suất của pin chính là hiệu suất lượng tử QE(E) và mật độ quang thông bS. Do đó cần phải lựa chọn vật liệu thích hợp làm pin, lựa chọn vị trí thích hợp để lắp ráp pin mặt trời trong thực tế và hình dạng của pin mặt trời phải được tính toán sao cho QE(E) và bS đạt giá trị tối ưu.
2.3.2. Dòng tối ( Idark )
Nối pin với mạch ngoài có tải, khi không chiếu sáng vẫn có một sự chênh lệch rất nhỏ về điện tích ở hai đầu pin do có một số lượng nhỏ hạt tải được sinh ra do chuyển động nhiệt, điều này tạo ra ở mạch ngoài một dòng điện gọi là dòng tối Idark. Mật độ dòng tối được tính theo công thức:
ar 0 B 1
qV K T
Id k V I e
(2.2)
Trong đó: I0 là hằng số, V là thế ra của pin, kBlà hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối.
Ta thấy dòng tối ngược chiều với dòng đoản mạch, do đó ta đưa vào giá trị mật độ tổng cộng I và được xác định như sau:
ar 0 B 1
qV K T
SC d k SC
I I I I I e
(2.3)
TÔ HOÀNG TRƯƠNG 17
2.3.3. Thế mạch hở ( VOC )
Khi nối pin với mạch ngoài (có tải) và chiếu sáng, sự chênh lệch nồng độ hạt tải rất lớn ở hai đầu của pin (electron phía n và lỗ trống phía p) sẽ khiến thế ra V tăng lên dần, khi thế V đạt cực đại, người ta gọi nó là thế mạch hở, ký hiệu là VOCvà được xác định theo công thức:
0
ln SC 1
OC
I V KT
q I
(2.4)
Khi V=VOC thế (2.4) vào (2.2) ta có:
0 1
ar 0 1
ISC I
d k SC
I I e I
(2.5)
Từ (2.5) ta rút ra kết luận: Khi V = VOC thì ISC= Idark, suy ra mật độ dòng tổng cộng I = ISC– Idark= 0. Lúc này mạch ngoài không còn dòng hạt tải nào, điều này giống như việc ta áp pin vào một mạch điện bị hở và đo thế ra của pin.
2.3.4. Công suất và hệ số lấp đầy của pin mặt trời
Công suất của pin mặt trời được xác định theo công thức:
.
P V I (2.6)
Trong đó: I nhận giá trị từ 0 đến ISC, V nhận các giá trị từ 0 đến VOC.
Khi I = 0, ta có V = VOC và khi V = 0, ta có I = ISC. Tại hai giá trị này ta có P =0.
Biểu diễn P trên đặc tuyến I-V của pin thể hiện qua hình.
TÔ HOÀNG TRƯƠNG 18
Hình 2.1 Đường đặc tuyến I-V và đồ thị biểu diễn công suất của pin
Hệ số lấp đầy FF là thương số của công suất cực đại PMAX của pin mặt trời với tích VOC và ISC:
MP MP SC OC
I V
FF I V (2.7)
Hình 2.2 Hệ số lấp đầy thể hiện qua đồ thị biểu diễn đường I-V
Trong đồ thị biểu diễn đường I-V ( hình 2.2), có thể hiểu hệ số lấp đầy là tỉ số giữa diện tích hình chữ nhật tạo bởi điểm có công suất cực đại trên thực tế Pmax và hình chữ nhật tạo bởi điểm có công suất cực đại trên lý thuyết PT.
Hệ số lấp đầy miêu tả chất lượng của pin mặt trời. Giá trị lý tưởng của hệ số lấp đầy là bằng 1. Trong trường hợp này mọi điện tử sinh ra do hấp thụ photon đều trở thành điện tử dẫn và không có mất mát dòng điện do điện trở. Thực tế hệ số lấp
TÔ HOÀNG TRƯƠNG 19
đầy thường có giá trị trong khoảng 0,5-0,8.
2.3.5. Hiệu suất của pin mặt trời
Hiệu suất của SC, ký hiệu là η, được tính theo công thức:
SC OC MP MP
In In
I V
I V FF
P P
(2.8)
Trong đó: PIn là công suất ánh sáng chiếu tới, đặc trưng cho sự tán xạ hạt tải trong suốt quá trình hoạt động của pin.
Trong các thông số làm việc của pin mặt trời, bốn thông số quan trọng quyết định tính chất của pin là; dòng đoản mạch ISC, thế mạch hở VOC, hệ số lấp đầy FF, và hiệu suất pin η.