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

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƢ PHẠM BỘ MÔN SƢ PHẠM VẬT LÝ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT PIN QUANG ĐIỆN (SOLAR BATTERY CELLS VOLTAGE U0 2,4V 6cm x 6cm, SHORT – CIRCUIT CURRENT IK < 0,32A) Luận văn tốt nghiệp đại học Ngành: SƢ PHẠM VẬT LÝ Chuyên ngành: SƢ PHẠM VẬT LÝ – CÔNG NGHỆ Giáo viên hƣớng dẫn: Sinh viên thực hiện: Ths Lê Văn Nhạn Nguyễn Thị Ngọc Huyền Mã số SV: 1117592 Lớp: Sƣ phạm Vật lý – Công nghệ Khóa: 37 Cần Thơ, năm 2015 LỜI CẢM ƠN Em gởi lời biết ơn sâu sắc đến thầy LÊ VĂN NHẠN trực tiếp hƣớng dẫn tận tình tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy VƢƠNG TẤN SĨ nhiệt tình đóng góp để em khắc phục sửa chữa thiếu sót hoàn thiện luận văn Em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô Bộ môn Vật lý, trƣờng Đại học Cần Thơ truyền đạt cho em kiến thức, kỹ phƣơng pháp sƣ phạm tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn Con xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đặc biệt mẹ Mẹ khích lệ, động viên suốt trình thực luận văn Đồng cảm ơn bạn sinh viên lớp Sƣ phạm Vật lý – Công nghệ K37 nhiệt tình giúp đỡ, thăm hỏi hoàn thành đề tài Cuối cùng, xin chúc quý thầy cô bạn dồi sức khỏe thành công công tác Trân trọng! Sinh viên thực Nguyễn Thị Ngọc Huyền LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu thực Các số liệu, kết phân tích luận văn hoàn toàn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình nghiên cứu trƣớc Mọi tham khảo, trích dẫn đƣợc rõ nguồn danh mục tài liệu tham khảo luận văn Cần Thơ, ngày 27 tháng năm 2015 Tác giả Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Giới hạn đề tài Mục đích nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu 5.Các giả thuyết đề tài Nhiệm vụ nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu giai đoạn thực đề tài PHẦN LÝ THUYẾT CHƢƠNG THUYẾT MIỀN NĂNG LƢỢNG Trong kim loại Trong điện môi Trong chất bán dẫn CHƢƠNG CHẤT BÁN DẪN Chất bán dẫn tinh khiết Chất bán dẫn pha tạp 2.1 Chất bán dẫn loại n 2.2 Chất bán dẫn loại p 2.3 Lớp chuyển tiếp p_n CHƢƠNG HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN 15 Hiện tƣợng 15 Các định luật quang điện giải thích 15 2.1 Các định luật quang điện 15 2.2 Giải thích định luật quang điện 15 GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn i SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện Hiệu ứng quang điện hệ thống hai mức lƣợng 16 Hiệu suất trình biến đổi quang điện 17 Sự tạo thành hàng rào 19 Tính chỉnh lƣu lớp tiếp xúc chất bán dẫn 20 Đƣờng đặc trƣng VA sáng - tạo thành dòng điện 22 CHƢƠNG PIN QUANG ĐIỆN 25 Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin quang điện 25 1.1 Cấu tạo pin quang điện 25 1.2 Nguyên lý hoạt động pin quang điện 27 Các đặc trƣng điện pin quang điện 28 2.1 Sơ đồ tƣơng đƣơng 28 2.2 Dòng đoản mạch ISC 29 2.3 Thế hở mạch VOC 30 2.4 Điểm làm việc với công suất cực đại 32 2.5 Các điều kiện tải tiêu thụ điện 34 2.6 Các tham số ảnh hƣởng đến chế độ làm việc hiệu suất pin 35 2.7 Hiệu suất biến đổi quang điện pin 38 PHẦN THỰC HÀNH 39 MỤC ĐÍCH 39 DỤNG CỤ 39 THỰC HÀNH 42 3.1 Cấu tạo pin 43 3.2 Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin 43 3.2.1 Trƣờng hợp 43 3.2.2 Trƣờng hợp 53 3.2.3 Trƣờng hợp 56 GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn ii SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện 3.3 Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin Mặt Trời thực tế 58 3.3.1 Giới thiệu pin Mặt Trời khảo sát 58 3.3.2 Khảo sát công suất pin Mặt Trời thực tế 59 PHẦN KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC 64 GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn iii SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài - Ngày nay, với tiến vƣợt bậc khoa học kỹ thuật, ngƣời đạt đƣợc nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật quan trọng Những thành tựu đáng ý chế tạo thành công pin Mặt Trời - Pin Mặt Trời hay gọi pin quang điện phƣơng pháp sản xuất điện trực tiếp từ lƣợng Mặt Trời qua thiết bị biến đổi quang điện Pin Mặt Trời có ƣu điểm gọn nhẹ, lắp đâu có ánh sáng Mặt Trời, đặc biệt lĩnh vực tàu vũ trụ Việc sử dụng pin lƣợng Mặt Trời nhƣ nguồn lƣợng chỗ thay cho dạng lƣợng truyền thống, góp phần tiết kiệm điện, giảm tải nhu cầu ngày tăng lên lƣợng cho quốc gia, hệ thống pin lƣợng Mặt Trời cung cấp điện cho thiết bị điện, góp phần giảm phụ thuộc nhiều vào lƣới điện quốc gia, đồng thời tạo lƣợng tái tạo xanh, sạch, độc lập thân thiện với môi trƣờng - Để đánh giá hiệu làm việc pin quang điện ngƣời ta dựa đặc tính kỹ thuật nó, thông số định khả làm việc pin quang điện Ngày có nhiều dạng pin quang điện phục vụ cho nhu cầu sản xuất tiêu dùng Tuy nhiên pin quang điện khác có thông số kỹ thuật khác - Xuất phát từ suy nghĩ trên, tiến hành chọn đề tài tốt nghiệp, em định chọn đề tài “Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện (Solar battery Cells Voltage U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A)” Trong trình thực luận văn chắn em không tránh khỏi sai sót Mong đƣợc thông cảm góp ý Quý Thầy cô bạn Giới hạn đề tài - Nghiên cứu lý thuyết pin quang điện đặc tính kỹ thuật pin quang điện Solar battery Cells Voltage U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu lý luận lý thuyết pin quang điện Thông qua việc nghiên cứu giúp em củng cố kiến thức vững vàng lý thuyết liên quan pin quang điện - Giúp rèn luyện cho em kĩ thực hành thí nghiệm, kĩ ứng dụng công nghệ thông tin dạy học thí nghiệm Vật lý góp phần nâng cao chất lƣợng giảng dạy sau cách khoa học đạt hiệu cao Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết đại lƣợng đặc trƣng, định luật liên quan đến pin quang điện - Khảo sát cấu tạo pin đặc tính kỹ thuật pin quang điện (Solar battery Cells Voltage U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A) GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện Các giả thuyết đề tài - Nghiên cứu thuyết miền lƣợng, chất bán dẫn, tƣợng quang dẫn, đặc trƣng điện pin quang điện Từ xem xét cấu tạo, đặc tính kỹ thuật pin quang điện (Solar battery Cells Voltage U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A) Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu sở lý thuyết pin quang điện, đặc biệt thông số đặc trƣng pin quang điện U0 - Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện (Solar battery Cells Voltage 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A) phòng thí nghiệm Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: thuyết miền lƣợng, chất bán dẫn, tƣợng quang điện, pin quang điện - Phƣơng pháp thực nghiệm: khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện (Solar battery Cells Voltage U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A) phòng thí nghiệm Các giai đoạn thực đề tài - Giai đoạn 1: Trao đổi với thầy hƣớng dẫn tài liệu nghiên cứu, nhận đề tài - Giai đoạn 2: Viết đề cƣơng, lập kế hoạch thực đề tài - Giai đoạn 3: Nghiên cứu sở lý thuyết, thu nhập tài liệu tham khảo - Giai đoạn 4: Nghiên cứu lắp ráp mạch thực hành - Giai đoạn 5: Tiến hành đo đạc lấy số liệu - Giai đoạn 6: Phân tích số liệu đo đƣợc - Giai đoạn 7: Hoàn chỉnh đề tài báo cáo thử - Giai đoạn 8: Bảo vệ luận văn GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện PHẦN LÝ THUYẾT Năng lƣợng Mặt Trời nguồn lƣợng coi vô tận Một kỹ thuật sử dụng lƣợng Mặt Trời sản xuất điện - điện Mặt Trời Để sản xuất điện Mặt Trời ngƣời ta sử dụng hai công nghệ: nhiệt Mặt Trời pin quang điện Trong công nghệ pin Mặt Trời, lƣợng Mặt Trời đƣợc trực tiếp biến đổi thành điện nhờ tế bào quang điện bán dẫn, đƣợc chế tạo từ vật liệu bán dẫn điện Các pin Mặt Trời (hay pin quang điện) sản xuất điện cách liên tục chừng có xạ Mặt Trời tới Các hệ thống lƣợng pin Mặt Trời đơn giản, phần chuyển động, không đòi hỏi phải bảo dƣỡng chăm sóc thƣờng xuyên nhƣ hệ thống lƣợng khác nên hệ thống lƣợng pin Mặt Trời đƣợc quan tâm nghiên cứu, phát triển ứng dụng Ngay từ năm 1950 pin Mặt Trời trở thành nguồn điện tốt cho vệ tinh nhân tạo tàu vũ trụ Đặc biệt từ khủng hoảng dầu lửa năm 1973, hoạt động nghiên cứu hoàn thiện công nghệ pin Mặt Trời phát triển mạnh mẽ Hiện nay, sản xuất pin Mặt Trời trở thành ngành công nghiệp quan trọng nhiều nƣớc công nghiệp phát triển giới Trƣớc nghiên cứu tới cấu tạo đặc tính kỹ thuật pin quang điện ta nghiên cứu số lý thuyết có liên quan đến đặc trƣng pin quang điện CHƢƠNG THUYẾT MIỀN NĂNG LƢỢNG Cấu trúc miền tinh thể (các vật rắn) sở phần lớn quan niệm đại chế tƣợng khác chất cách điện (điện môi), chất bán dẫn điện chất dẫn điện (các kim loại) Trong kim loại, sau tạo thành mạng tinh thể, từ nguyên tử kim loại dứt electron liên kết yếu với nguyên tử Các electron trở thành electron tự Xuất phát từ quan niệm electron tự do, Đrútđơ Lorent hoàn chỉnh thuyết electron cổ điển Thuyết giúp ta giải thích đƣợc tính dẫn điện kim loại, nguyên nhân điện trở, chất nhiệt dung, độ dẫn điện, độ tự cảm điện động lực học kim loại… Nhƣng mà thuyết electron mang lại chƣa thật hoàn hảo Nó không giúp ta giải thích đƣợc khác biệt kim loại, bán kim loại, bán dẫn chất cách điện, xuất số Hall nhiều tính chất khác Điều làm nảy sinh yêu cầu cần có lý thuyết chặt chẽ Ngƣời ta thấy electron tinh thể phân bố theo miền lƣợng - Miền hóa trị: miền lƣợng thấp electron hóa trị - Miền dẫn: miền lƣợng cao miền hóa trị Các electron miền tham gia vào dẫn điện - Miền cấm: miền lƣợng nằm đỉnh miền hóa trị đáy miền dẫn Năng lƣợng electron không nằm miền GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện Năng lƣợng electron Luận văn tốt nghiệp Miền dẫn Miền cấm Miền hóa trị Electron hóa trị Hình 1.1 Các miền lƣợng electron vật rắn Một điện tử muốn tham gia vào thành phần dòng điện phải trở thành điện tử tự do, nghĩa phải có đủ lƣợng nhảy từ miền hóa trị vƣợt qua miền cấm lên miền dẫn Từ thuyết miền lƣợng, ta giải thích dẫn điện kim loại, chất bán dẫn, điện môi TRONG KIM LOẠI: Năng lƣợng electron Trong kim loại miền cấm, miền dẫn miền hóa trị chồng lên Hình 1.2 Các miền lƣợng electron kim loại Ngay nhiệt độ thƣờng, electron hóa trị dễ dàng di chuyển đến mức lƣợng cao hơn, tới mức lƣợng cao từ miền dẫn lên miền hóa trị trở thành electron tự Số lƣợng electron tự lớn Do kim loại dẫn điện tốt TRONG ĐIỆN MÔI: Năng lƣợng electron Miền cấm rộng cỡ 3eV trở lên Các electron hóa trị tạo nên liên kết chặt chẽ nguyên tử cạnh Các liên kết khó bị đứt nên khó tạo thành electron tự Theo thuyết miền lƣợng, tất mức miền hóa trị bị chiếm, tất mức miền dẫn trống Miền dẫn Miền cấm Miền hóa trị Hình 1.3 Các mức lƣợng electron điện môi GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện Đặc tuyến Pp=q(Rt) Hình 3.11 Đặc tuyến biểu diễn công suất pin quang điện theo điện trở Rt Đặc tuyến Rt=w(Pp) Xét thời điểm 4s – 18 (khoảng thời gian đóng khóa K2) Hình 3.12 Đặc tuyến biểu diễn điện trở toàn phần mạch Rt theo công suất pin quang điện Nhận xét: Khi đóng khóa K2, tăng dần Rt công suất pin PP tăng theo khoảng thời gian từ 4s - 18s Khi mở khóa K2 công suất giảm tới giá trị cực tiểu Nhƣ công suất pin quang điện tỷ lệ với điện trở toàn phần mạch Hay nói cách khác, công suất pin quang điện phụ thuộc vào điện trở mạch GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 52 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện 3.2.2 Trƣờng hợp 2: Giữ nguyên công suất nguồn, thay đổi khoảng cách nguồn sáng với pin quang điện Phương án thí nghiệm: -Lắp mạch theo hình K1 Khoảng cách d R A Ro VDC Đ VR RV K2 Mạch nguồn chiếu sáng Mạch khảo sát - Sử dụng bóng đèn với công suất 12V-50W - Thay đổi khoảng cách nguồn sáng đến pin quang điện, cách thay đổi vị trí pin quang điện giá nhôm, thay đổi khoảng từ 30cm – 40cm, lần dịch chuyển 1cm nhôm - Ghi giá trị vào bảng Bảng 3.1: Các giá trị khoảng cách d dòng điện Ip GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 53 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện Đặc tuyến IP=f(d) Hình 3.13 Đặc tuyến biểu diễn dòng quang điện theo khoảng cách d Nhận xét : Từ đồ thị ta nhận thấy, khoảng cách pin nguồn sáng tăng cƣờng độ dòng quang điện Ip giảm Bảng 3.2 Các giá trị tích số khoảng cách dòng quang điện Khoảng cách d (cm) Dòng quang điện Ip IP.d IP.d2 IP.d3 30 1,24 37,2 1116 33480 31 1,15 35,65 1105,15 34259,65 32 1,08 34,56 1105,92 35389,44 33 1,02 33,66 1110,78 36655,74 34 0,96 32,64 1109,76 37731,84 35 0,91 31,85 1114,75 39016,25 36 0,86 30,96 1114,56 40124,16 37 0,81 29,97 1108,89 41028,93 38 0,77 29,26 1111,88 42251,44 39 0,73 28,47 1110,33 43302,87 40 0,70 28 1120 44800 GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 54 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện Nhận xét : Cột IP.d cột IP.d3 có giá trị chênh lệch không theo quy luật Chỉ có cột IP.d2 giá trị xấp xỉ với trung bình cộng 1111 Nên Ip.d2 = const = 1111 Suy Ip = => đồ thị có dạng tuyến tính Đặc tuyến IP=f(d2) Hình 3.14 Đặc tuyến biểu diễn dòng quang điện theo bình phƣơng khoảng cách GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 55 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện Fix đồ thị: Hình 3.15 Đặc tuyến biểu diễn dòng quang điện theo bình phƣơng khoảng cách sau fix đồ thị Nhận xét: Từ đồ thị ta nhận thấy, đồ thị có dạng tuyến tính Các điểm nối lại với gần nhƣ thẳng hàng, cho thấy kết thí nghiệm gần nhƣ xác Có sai số chủ quan ngƣời đọc số liệu dụng cụ đo, sai số phần nhỏ dụng cụ đo, điều kiện thí nghiệm phòng thí nghiệm không hoàn toàn tối 3.2.3 Trƣờng hợp 3: Giữ nguyên khoảng cách nguồn sáng pin quang điện, thay đổi công suất nguồn Phương án thí nghiệm: -Lắp mạch nhƣ hình A K1 Khoảng cách d R A Ro VDC V Đ RV K2 Mạch nguồn chiếu sáng GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn Mạch khảo sát 56 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện - Đặt nguồn sáng cách pin khoảng d = 10cm - Thay đổi công suất nguồn cách thay đổi hiệu điện nguồn, điều chỉnh núm vặn nguồn để thay đổi hiệu điện nguồn VH, đọc giá trị cƣờng độ dòng điện nguồn IH - Công suất nguồn: PH=IH x VH Bảng 3.3 Các giá trị VH, IH, PH Ip đo đƣợc VH (v) 0.508 1.016 1.512 2.004 2.512 3.006 3.5 4.02 IH (A) 0.85 1.18 1.42 1.64 1.84 2.03 2.20 2.38 PH (W) 0.43 1.2 2.15 3.29 4.62 6.1 7.7 9.57 IP (mA) 0.02 0.04 0.25 0.88 2.2 4.24 6.94 10.31 Đặc tuyến IH=f(PH) (W) Hình 3.16 Đặc tuyến cƣờng độ dòng quang điện theo công suất bóng đèn GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 57 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện Bảng 3.4 Các giá trị cƣờng độ dòng quang điện công suất đèn đo đƣợc Nhận xét: Từ đồ thị ta nhận thấy ta thay đổi công suất đèn halogen cƣờng độ dòng quang điện thay đổi, cụ thể tăng công suất đèn cƣờng độ dòng điện tăng Điều chứng tỏ công suất đèn tỉ lệ thuận với cƣờng độ dòng quang điện Mặt khác theo lý thuyết, số photon phát từ nguồn theo đơn vị thời gian tỉ lệ với công suất xạ Khi công suất nguồn cao số photon phát nhiều Vì số photon thõa mãn điều kiện hf > hf0 nhiều Vậy kết thực nghiệm phù hợp với lý thuyết nhƣ trình bày 3.3 Khảo sát đặc tính kĩ thuật pin Mặt Trời thực tế Ta tiến hành khảo sát pin Mặt Trời thực tế 3.3.1 Giới thiệu pin Mặt Trời ta khảo sát Trong thực tế, để tạo nhiều lƣợng, ngƣời ta kết nối nhiều phần tử pin Mặt Trời lại với tạo thành pin Mặt Trời Tấm pin Mặt Trời mà ta khảo sát loại đa tinh thể, gồm 72 cells đƣợc làm từ thỏi đúc Pin Mặt Trời đƣợc đúc từ silic nung chảy GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 58 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện 3.3.2 Khảo sát công suất pin Mặt Trời thực tế Lắp ráp mạch nhƣ hình vẽ Sơ dồ mạch điện K A Rv V Thay đổi giá trị R, đo lấy giá trị cƣờng độ dòng điện I hiệu điện U Xác định công suất mạch điện theo công thức: P = U.I Bảng 3.5 Các giá trị dòng điện I, hiệu điện U, điện trở R công suất pin Mặt Trời R (Ω) U (V) I (mA) 100 90 80 70 60 50 40 30 16,60 16,25 15,96 15,45 14,79 13,77 11,50 9,06 153,0 166,91 182,10 201,00 226,2 245,80 235,70 257,5 20 10 6,78 4,95 258,3 257,00 P (W) 2,54 1,75 2,71 GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 2,9 3,11 3,34 59 3,37 2,71 2,34 1,27 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn công suất pin Mặt Trời thực tế theo R Fix đồ thị: Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn công suất pin Mặt Trời thực theo R (sau fix đồ thị) Nhận xét: Đƣờng thực nghiệm chƣa sát với đƣờng lý thuyết, có sai số cƣờng độ ánh sáng chiếu vào pin Mặt trời thay đổi, sai số dụng cụ đo mắt ngƣời đọc số liệu chƣa xác GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 60 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện Nhƣ vậy, phần thực hành ta chủ yếu khảo sát đặc tính pin quang điện solar battery Cells Voltage U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A với trƣờng hợp sau: Trƣờng hợp 1: Giữ nguyên công suất nguồn khoảng cách, thay đổi điện trở mạch Thí nghiệm chứng tỏ hiệu điện thế, dòng quang điện công suất pin quang điện phụ thuộc vào điện trở toàn phần mạch Trƣờng hợp 2: Giữ nguyên công suất nguồn, thay đổi khoảng cách từ nguồn sáng tới pin quang điện cƣờng độ dòng quang điện pin quang điện phát tỉ lệ nghịch với bình phƣơng khoảng cách Trƣờng hợp 3: Giữ nguyên khoảng cách, thay đổi công suất nguồn cƣờng độ dòng quang điện phát phụ thuộc vào công suất nguồn sáng GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 61 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện PHẦN KẾT LUẬN Quá trình tìm hiểu lý thuyết giúp hiểu nhiều chất bán dẫn cá linh kiện quang bán dẫn Đặc biệt pin quang điện Nó đƣợc sử dụng nhƣ nguồn điện cho thiết bị dùng không gian vũ trụ đƣợc dùng để biến lƣợng ánh sáng Mặt Trời thành điện phục vụ cho sống ngƣời Kết đạt đƣợc: Trong luận văn này, thiết kế thí nghiệm với pin quang điện Từ thí nghiệm này, khảo sát đƣợc số đặc tính kĩ thuật pin quang điện Solar battery Cells Voltage U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A nhƣ là:  Hiệu điện pin quang điện, cƣờng độ dòng quang điện công suất pin quang điện phụ thuộc vào điện trở toàn phần mạch  Cƣờng độ dòng quang điện pin quang điện phát tỉ lệ nghịch với bình phƣơng khoảng cách với  Cƣờng độ dòng quang điện phát phụ thuộc vào công suất nguồn sáng Thông qua trƣờng hợp thí nghiệm, thấy luận văn kiểm nghiệm đƣợc số lý thuyết nhƣ sau:  Định luật Ohm cho toàn mạch  Công suất nguồn sáng tỉ lệ với số photon phát đơn vị thời gian  Tính chất lƣợng tử xạ ánh sáng chiếu vào thỏa hf > hf Với thí nghiệm ta dùng thực hành Vật lý cho sinh viên đại học, cao đẳng học sinh trƣờng phổ thông để kiểm chứng định luật quang điện Hạn chế đề tài: Trong trình tiến hành thí nghiệm, không tránh khỏi nhiều thiếu sót, thời gian hạn chế nên không hoàn thiện đề tài Hƣớng mở rộng: Với phƣơng pháp bố trí nhƣ thí nghiệm pin quang điện này, ta khảo sát đặc tính kĩ huật pin quang điện loại khác Điều tạo hƣớng mở cho bạn muốn nghiên cứu Quá trình thực đề tài, với nỗ lực cố gắng hoàn thành đề tài rèn luyện cho tính kiên trì nhẫn nại tính cẩn thận tiến hành thí nghiệm, giúp nắm vững cách tiến hành thí nghiệm để phục vụ cho việc giảng dạy trƣờng phổ thông Mặc dù khảo sát đƣợc khía cạnh nhỏ Vật lý nhƣng đạt đƣợc khiến lạc quan tự tin Nó tạo tiền đề để sau tiếp tục nghiên cứu trƣờng phổ thông giảng dạy GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 62 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện Tài liệu tham khảo [1] A.S.Grove, Vật lý công nghệ dụng cụ bán dẫn NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội 1978 [2] Vũ Thanh Khiết, Giáo trình điện đại cƣơng, NXBGD 1970 [3] Trƣơng Văn Tám, Giáo trình linh kiện điện tử, ĐHCT 1993 [4] Đặng Đình Thống, Pin Mặt Trời ứng dụng, Nhà xuất Kỹ thuật Khoa học 2006 [5] Trang web www.pinmattroi.com/kien-thuc-co-ban-ve-pin-mat-troi [6] Trang web www.vi.wikipedia.org wiki/Hiệu_ứng_quang_điện GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 63 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện PHỤ LỤC THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHẦN MỀM DATASTUDIO A/ Thiết bị thí nghiệm 1/ Máy vi tính (PC) 2/ ScienceWorkshop 750 Interface CI - 7559: Thiết bị giao tiếp sensor với PC, gồm có: - kênh nhận tín hiệu Digital:1-2-3-4 - kênh nhận tín hiệu Analog: A-B-C - Máy phát tín hiệu dạng sin (Sine Wave), vuông (Square), tam giác (Triangle)… 3/ Condor Adaptor PSD-121A5G-230: 12V-18V/1,5A: cấp nguồn cho 750 Interface 4/ Sensor điện thế: 5/ Máy phát tín hiệu hình sin, vuông, tam giác…có biên độ tần số thay đổi đƣợc với Vmax=5v, fmax=50KHz Tốc độ lấy mẫu (Sample Rate) từ 1Hz đến 250KHz GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 64 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện B/ Phần mềm DataStudio 1/ Chạy chƣơng trình DataStudio Click mouse vào biểu tƣợng DataStudio hình Desktop để mở giao diện chƣơng trình thu nhận số liệu thí nghiệm Vật lý sử dụng thiết bị giao tiếp ScienceWorkshop - 750 với máy tính Click kép vào icon “Create Experiment” để thực thí nghiệm, hình xuất cửa sổ chƣơng trình DataStudio: 2/ Ghép nối sensor điện Trong thí nghiệm ta dùng sensor điện (Voltage sensor) để đo vR(t), vC(t), vT(t), vRLC(t),… - Click vào nút Add Sensor or Instrument, cửa sổ Choose sensor vào trƣợt dọc để tìm Voltage sensor Trong thí nghiệm ta dùng sensor điện kết nối mạch thí nghiệm với ngõ vào analog A-B-C để đo hiệu đầu đoạn mạch 3/ Thu nhận data Thực thứ tự bƣớc sau đây: - Vào menu Options để chọn thời gian trì hoãn thu data (Delayed Start), thời gian tự động dừng thu data sau khoảng thời gian định trƣớc (Automatic Stop) GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 65 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện - Click chuột vào menu Start để bắt đầu tự động kết thúc trình thu data - Chọn hiển thị data nhận đƣợc dƣới dạng đồ thị, dạng số, … Click drag biểu tƣợng data vào Graph cửa sổ Displays, ta đƣợc cửa sổ hiển thị data đo đƣợc dƣới dạng đồ thị 4/ Xử lý data Xử lý data đồ thị ta dùng công cụ sau: - Smart Tool: xác định giá trị điện thế, thời gian điểm đồ thị Công cụ Smart Tool dùng để xác định giá trị Vmax , chu kỳ T độ lệch pha tín hiệu - Calculate: dùng để tính đại lƣợng thông qua đại lƣợng đo từ sensor - Trong cửa sổ Calculator chọn biến x=Voltage, ChB - Trong mục Definition, khai báo tính dòng điện i(t)=x/100, xong click Accept - Sau click Start để bắt đầu đo hiệu tính dòng điện 5/ Tổng hợp tín hiệu Dạngtađồ thị nhƣ sau: Để tìm đồ thị vT=f(i), thực - Đƣa data hiệu vT vào Graph, ta đƣợc đồ thị vT theo thời gian t - Đƣa data dòng điện i(t) vào trục thời gian t Kết ta đƣợc đồ thị vT=f(i) GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 66 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền [...]... các điện cực, các tiếp x c, … Đặc trƣng 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 đƣợc chiếu sáng có sơ đồ điện tƣơng đƣơng nhƣ hình 4 .5 GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 28 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện a) b) Hình 4 .5 Sơ đồ tƣơng đƣơng của pin quang điện. .. nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện CHƢƠNG 3 HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN (HIỆN TƢỢNG QUANG DẪN) Hiệu ứng quang điện đƣợc Héc phát hiện ra đầu tiên năm 1887, sau đó việc nghiên cứu chi tiết hiện tƣợng đã đƣợc Xtô-lê-tốp (Stoletov) tiến hành vào những năm 1888 – 1889, rồi đến Lê-na (Lénard) năm 1889-1902 và nhiều nhà thực nghiệm khác vào những năm 90 của thế kỉ XIX Đến đầu thế kỉ XX các định luật quang. .. dòng điện sử dụng đƣợc. [5] 1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN QUANG ĐIỆN 1.1 Cấu tạo của pin quang điện Cấu tạo của pin là một lớp tiếp x c bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lƣợng bức x Mặt Trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong Hình 4.1 Cấu tạo của pin quang điện. [5] Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể Pin. .. Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện Trƣớc hết ta x t trƣờng hợp nguồn thế ngoài phân cực ngược lớp tiếp x c pn, cực dƣơng của nguồn ngoài đặt vào bán dẫn n, cực âm vào bán dẫn p (hình 3.6a) Khi đó, điện trƣờng ngoài E0 và điện trƣờng tiếp x c Etx cùng chiều Lúc này điện trƣờng tổng hợp E = Etx + E0 trên miền tiếp x c rất lớn, hàng rào thế năng ở lớp tiếp x c bị nâng cao lên,... – ampe tối là đƣờng đặc trƣng của diot bán dẫn thông thƣờng GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 21 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện V n + + - - I + + - - p A + - E a R Ánh sáng V o b n + + - + + - - p V E + A R Hình 3.6 Các mạch điện do đặc trƣng VA của lớp tiếp x c bán dẫn pn Hình 3.8 Đặc trƣng tối và sáng của tiếp x c bán dẫn pn q(Utx – U) EF EC EF q(Utx... asenua (GaAs) là các vật liệu đƣợc sử dụng làm pin quang điện Gali asenua đặc biệt tạo nên để dùng cho pin quang điện, tuy nhiên thỏi tinh GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 26 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện thể silic cũng có thể dùng đƣợc với giá thành thấp hơn, sản xuất chủ yếu để tiêu thụ trong công nghiệp vi điện tử Đa tinh thể silic có hiệu quả kém hơn... q(Utx – U) Ec EF Ev Wn Wp Ev - Wn 0 Wp W Hình 3.7 Hàng rào thế năng ở lớp tiếp x c pn khi phân cực thuận và phân cực ngƣợc 7 ĐƢỜNG ĐẶC TRƢNG VA SÁNG – SỰ TẠO DÒNG QUANG ĐIỆN GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 22 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện Chiếu sáng tiếp x c pn Dƣới tác dụng của ánh sáng, các cặp điện tử - lỗ trống đƣợc tạo thành, và do tác dụng của điện. .. dây dẫn, thì pin phát ra một dòng quang điện Iph Vì vậy pin quang điện có thể xem nhƣ một nguồn dòng Lớp tiếp x c bán dẫn pn có tính chỉnh lƣu tƣơng đƣơng một một diot Tuy nhiên, khi phân cực ngƣợc, do điện trở lớp tiếp x c có giới hạn nên vẫn có một dòng điện (gọi là dòng dò) qua nó Đặc trƣng cho dòng dò qua lớp tiếp x c pn ngƣời ta đƣa vào đại lƣợng điện trở sơn Rsh (shun) Khi dòng quang điện chạy trong... chiếu sáng vật rắn, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lƣợng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống , tức là đã tạo ra một điện thế Hiện tƣợng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong 4 HIỆU SUẤT CỦA QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI QUANG ĐIỆN GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn 17 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền Luận văn tốt nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện Ta có thể x c định đƣợc giới... tiếp x c 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 x c pn khi chiếu sáng nó, phụ thuộc vào các bán dẫn, vào nhiệt độ lớp tiếp x c và ... nghiệp Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện PHẦN THỰC HÀNH Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện (Solar battery Cells Voltage U0 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A) 2,4V MỤC... p-n điện cực Kích thƣớc pin 6cm x 6cm 3.2 Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện Solar battery Cells Voltage U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A Ta khảo sát đặc tính pin. .. lƣợng đặc trƣng, định luật liên quan đến pin quang điện - Khảo sát cấu tạo pin đặc tính kỹ thuật pin quang điện (Solar battery Cells Voltage U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A)