Tế bào quang điện pdf

Tế bào quang điện Tế bào quang điện, hay còn gọi pin mặt trời, được chế tạo sao cho ánh sáng mặt trời chiếu vào sẽ chuyển đổi thành điện năng. Pin mặt trời hoạt động theo một nguyên lý đơn giản, gọi là hiệu ứng quang điện (photoelectric effect), theo đó các hạt tích điện sẽ được giải phóng ra khỏi vật liệu khi hấp thụ năng lượng mặt trời. Nguyên lý này đượcsử dụng trong tế bào quangđiện để chuyển đổiquang năng thành điện năng. Tuy nhiên,năng suất nănglượng từ mỗi pinquang điệnrất thấpvà phải dùng nhiều pin để tạo ra được một dòngđiện vừa phải. Tổnghiệu suất của các pinnày khá thấp, chỉ từ 10-15% lượngánhsáng mặt trời chiếu vào pinđược chuyểnđổithành điện. Các nhà khoahọc đã tạo racác bướcđộtphátrong côngnghệ quang điện. Năm 2003, các nhà nghiêncứu ở Californiacông bố đã phát triển được các tế bào quang điện có khả năng chuyển đổi 36,9%năng lượngmặt trời thành điệnnăng. Điều này có thể so sánh với các nhà máy chạy bằngnhiên liệuhóa thạch với hiệu suất 34%. Các tiến bộ như thế đã giúp mở racánh cửa cho việc ứng dụng rộngrãinăng lượng mặt trời. Nhiều ngườihyvọng rằng những bước độtphá khácvề mặt công nghệ sẽ giatănghiệu suất của pinquangđiệnvàlàm giảm chiphí chế tạovà vận hành. Hiện nay,điện năng tạo ratừ các nhà máy năng lượng mặt trời có giá thành gấptừ 3 đến5 lần sovớiđiện năngtạo ra bởi các nhà máy chạy bằng nhiên liệu hóa thạch. Pin mặt trời đã đượcsử dụng rộngrãi trong các công việc thám hiểmkhông gian vàthường được lắp đặt trên các con tàu vũ trụ và vệ tinhnhân tạo để cung cấp điện năng cho nhiều hoạt động khác nhau. Đa số các vệ tinh truyềnthông đều có trangbị pin mặt trờiđể cung cấp mộtphần nhucầuvề điệncho các vệ tinh này. Trở lại với tráiđất, một trong nhữngứng dụng phổ biến nhất của pinmặt trời là cấp điện chocác loại máy tínhbỏ túi. Nhưngcác pinmặt trời cỡ lớncũng dùngcho các ứng dụngthương mại. HoaKỳ, Nhật Bản,Thái Lan, Ấn Độ và nhiều nước khác đang tìmkiếm nhữngphươngcách để khaithác các tiamặt trời nhằm sản xuất điện. Ở Israel có nhữngkế hoạch xây dựng nhà áyđiện mặttrời lớn nhất thế giới. Theo kế hoạch, khi được hoàn thành vào năm 2012, nhà máynày sẽ cungcấp 5% điện năngtoàn quốcgia. Theo Viện Worldwatchở Washington D.C.,sản lượng hàng năm của các nhà máy năng lượng mặt trời tăng 150% giữa các năm 2000 và 2003.Chỉ riêng năm 2002, công nghiệp điệnmặt trời ở Hoa Kỳ tăng trưởngrất đáng kể, khoảng60%, và thu được 500triệu đô la. Các electronlang thang.Đễ hiểu rõ hoạt động của các pin quangđiện,cần phải xemxét chúngở mức độ nguyên tử.Mỗi pinđượccấu tạo bằngmột lớp mỏng silic tinh khiết và sẽ có các tạp chất nào đó đượccho thêm vào. Mỗinguyên tử silic có các electron- làcác hạtmangđiện âm - quayquanh hạt nhân, haylà tâm nguyên tử,trong nhiều lớp vỏ đồngtâm, còn gọilà các lớp khônggian. Cácnguyên tử kếthợp với một nguyên tử khácthôngqua các hoạt độngcủacác electrontạo nênlớp vỏ ngoàicùng của nguyên tử. Ví dụ, nguyêntử silic có bốn electron ở lớp vỏ ngoài cùng. Trong tinh thể silic, mỗinguyên tử thường kết hợpvới bốn nguyên tử lân cận thông quabốn electronngoài cùng. Nếu một electronbị bứt ra khỏi nguyên tử silic do tác động củangoại lực như ánh sáng, nhiệt hoặcđiện năng,electron này sẽ chuyển động tự do trong tinh thể đồngthời để lại mộtlỗ trống trongmạng tinh thể. Lỗ trống này cư xử như một điện tíchdương. Mỗilần cómộtelectroncủa một nguyêntử lân cận di chuyểnvào lỗ trống thì đồngthời electronnày cũngtạo ra một lỗ trốngmới đằng saunó. Cứ như thế, các lỗ trốngcó thể di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác trong tinh thể. Do vậy, khi có nguồnnăng lượngbên ngoài tác dụng vào tinh thể thì sẽ có một số điệntích âm và điện tíchdương được tạoravà chuyểnđộngtự do trong tinhthể. Chúngchuyển độngngẫu nhiên và cânbằng vớinhau. Giả sử có một lượng rấtnhỏ arsenđược chovào tinh thể silic. Nguyên tử arsencó năm electronở lớp vỏ ngoài cùng.Nếunguyên tử arsenkết hợp vối bốn nguyêntử silic lân cận (giốngnhư nguyên tử silickết hợp với các nguyên tử lân cận nó) thì sẽ cònlại một electron của nguyên tử arsentrở thànhelectrontự do. Như vậy, việc đưamộtlượng rất nhỏ arsen vào trong tinhthể silic sẽ làm tăng số electron chuyển động tự do. Xét toàn bộ thì tinh thể vẫn còntrung hòađiện vì các electrontự do tăng thêm sẽ cân bằng với các ptoton mangđiệntích dương trong hạt nhân của nguyên tử arsen. Kết quả sẽ khác đi nếu cho boron vào trong tinh thể silic. Mỗi nguyêntử boron chỉ có ba electronở lớpvỏ ngoài cùng. Nếu nguyên tử boron kết hợp với bốn nguyên tử silic lâncận, do thiếu một electronnên sẽ có một lỗ trống dương trong mạng tinhthể quanh nguyên tử boron. Ngaycả chỉ một lượngrất nhỏ boron thì vẫn có mộtsố rấtđáng kể các nguyên tử tạo nên mộtsố các lỗ trống mangđiện tích dươngdôi ra trong mạngtinh thể. Và lầnnữa, tính trunghòa của toàn mạng tinh thể vẫn khôngthay đổi. Tạo điện trường. Bây giờ,giả sử rằngarsenđược chovào mộtnửa tinhthể silic và boronđược cho vào nửakia.Mỗi một nửa tinh thể silic vẫncòntrung hòa điện, tuy nhiên,mật độ điệntử tự dotrong nửatinh thể có arsen lớn hơn trongnửatinh thể có boron. Cũng tương tự như thế,ở phíatinh thể có boron có nhiều lỗ trống hơn ở phía tinh thể có arsen.Vìcả hai loại điện tích chuyển độnghỗn độn nên chúngcó khuynh hướngkhuếch tán khắp toànbộ tinh thể, điqua đường biên phân cáchgiữa hai nửa tinhthể. Phía nửa tinhthể silic có boronsẽ tích điện âm vì các electronthừa di chuyển về phía này. Ngượclại, về phía có arsentrở thànhtích điện dươngvì nhận các lỗ trống. Các điện tích nàysẽ tậphợp các electron và lỗ trốngtừ phía bênnày sang phía bênkiacủa tinhthể. Cuối cùng, cácđiện tíchtrở nên đủ mạnhđể ngăn khôngcho sự khuếchtán qua đườngbiên xảy ra nữa.Phía tích điện âmsẽ đẩy các electron;phía tích điện dương sẽ đẩy cáclỗ trống.Khi cósự cân bằng thì tồn tại sẵn mộtđiện trường. Tạo dòng Các nhà khoa học sử dụng điện trườngđã có được để tạo nên dòngđiện. Trongứng dụng này, làpinmặt trời, gồm hailớp vậtliệu cực mỏng-thườnglàbằng silic-được dùng để chuyển đổi trực tiếp ánh sángmặt trời thànhđiện năng. Một tạp chất đượccho vào một trong hailớp silickhiến cho lớpnày tích điệndương (được gọilà lớpsilic loại p), ở lớp siliccòn lại chovào loại tạp chất để lớp này trở thành tích điện âm (đượcgọi là lớpsilicloại n). Vùngphân cách giữa hailớp này gọi là vùng chuyển tiếp p-n. Các đầu cuối được gắn vào hai mặt của pinmặt trời và cácđiểm cuối này được nối bằng dây. Khi ánh sáng mặt trời đập vào lớpvật liệu làm cho các electron bật ra khỏi mạng tinhthể quanh vùng chuyểntiếp và tạoracặp electron-lỗ trống. Cứ như thế, trạngthái cân bằng giữa hai lớp silicbị phà vỡ. Các electron sẽ di chuyển từ đầu cuối của lớpsilic loại n theođường dây dẫn điện đến đầucuối của lớp silicloại p. Dòng điện tiếptục chạy trongdây dẫn cho đếnchừng nào còn ánh sáng mặt trời chiếu vào các lớp silic. Pin mặt trời thuhút được nhiều sự chú ý dotính chất đơngiản và hoạt động tươngđốidễ dàng. Giống như tấtcả các lĩnh vực liênquan đếnnănglượngmặt trời, pin mặt trờicó khả năng tolớn để đượcsử dụng trên quy mô rộnglớn. Nói chung, xét về mặt môi trường,năng lượng mặttrời là an toàn nhất trong tất cả các nguồnnăng lượng.Khi xét đến nguồn cung cấp bứcxạ mặt trời có sẵn hầu như vô tận, chắc chắn nhiều chuyên gia xem nguồn nănglượng mặt trờilà nguồnnăng lượngđầy hứa hẹn nhất cho tương lai. . Tế bào quang điện Tế bào quang điện, hay còn gọi pin mặt trời, được chế tạo sao cho ánh sáng mặt trời chiếu vào sẽ chuyển đổi thành điện năng. Pin mặt trời hoạt động. hiệu ứng quang điện (photoelectric effect), theo đó các hạt tích điện sẽ được giải phóng ra khỏi vật liệu khi hấp thụ năng lượng mặt trời. Nguyên lý này đượcsử dụng trong tế bào quang iện để chuyển. pinđược chuyểnđổithành điện. Các nhà khoahọc đã tạo racác bướcđộtphátrong côngnghệ quang điện. Năm 2003, các nhà nghiêncứu ở Californiacông bố đã phát triển được các tế bào quang điện có khả năng chuyển đổi