Nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời

1.1.1 Nguyên tắc hoạt động PMT Một hệ PMT đơn giản bao gồm hai mối nối p - n (hình 1.1) Nguyên tắc hoạt động PMT dựa hai chế hấp thụ ánh sáng tạo cặp điện tử - lỗ trống trình phân ly truyền dẫn hạt tải Hình Error! No text of specified style in document 1: Cấu tạo pin mặt trời đơn giản 1.1.1.1 Hấp thu bán dẫn Có hai loại hấp thu hấp thu riêng bán dẫn hấp thu tạp chất bán dẫn tạp chất Trong bán dẫn hình thành nên hai loại chuyển mức chuyển mức thẳng chuyển mức xiên Bán dẫn chuyển mức thẳng bán dẫn có đỉnh vùng hố trị đáy vùng dẫn nằm số sóng k hệ số hấp thu tương ứng là:   A(  E g )1/ (1.1)  B(  E g ) / (1.2)  (Với A, B số phụ thuộc vào loại bán dẫn khảo sát, ħω lượng photon tác động) Bán dẫn chuyển mức xiên bán dẫn có đáy vùng dẫn đỉnh vùng hố trị khơng nằm số sóng k Bài tốn hấp thu khơng tốn hai hạt (photon – electron) chuyển mức thẳng mà toán ba hạt (photon – electron – photon) Hệ số hấp thu chuyển mức xiên tính theo cơng thức (1.3) (  E g  E p ) (  E g  E p )   A[  ] Ep Ep exp(  1)  exp(  ) KT KT (1.3) Hình 1.2 sơ đồ lượng dạng chuyển mức Hình Error! No text of specified style in document 2: Sơ đồ lượng chuyển mức (a) chuyển mức thẳng; (b) chuyển mức xiên trực tiếp; (c) chuyển mức xiên gián tiếp 1.1.1.2 Quá trình phân ly truyền dẫn điện tích Đối với PMT có cấu trúc tiếp giáp p – n, điện tích di chuyển trực tiếp bán dẫn theo hình thức sau: Ban đầu, bán dẫn xuất trạng thái cân hóa chưa chiếu sáng (bỏ qua nhiệt độ), nồng độ điện tử lỗ trống Khi bán dẫn chiếu sáng với lượng phù hợp, tượng hấp thu tạo cặp điện tử – lỗ trống xảy ra, lúc trạng thái cân bị phá vỡ Điện tử sinh chuyển lên mức vùng dẫn tồn thời gian định gọi thời gian sống, tương tự lỗ trống xuất tồn Nồng độ điện tử – lỗ trống tăng lên không ngừng chiếu sáng làm cho mức Fermi có dịch chuyển sát vùng dẫn (bán dẫn loại n) gọi mức FFC, phía đáy vùng hóa trị (bán dẫn loại p) gọi mức FFV Nồng độ điện tử vùng dẫn nồng độ lỗ trống vùng hóa trị tính cơng thức (1.4), (1.5), nồng độ điện tử – lỗ trống cho công thức (1.6):  E  E FC  ne  N C exp  C  kT   (1.4)  E  EV  nh  NV exp  FV  kT   (1.5)  E  E FV  ne nh  ni2 exp FC  kT   (1.6) Trong đó, hiệu lượng EFC - EFV độ lệch khỏi trạng thái cân chất bán dẫn hóa e,h cặp điện tử lỗ trống (hóa cặp điện tử – lỗ trống) Chất bán dẫn điều kiện cân có hóa e,h = Khi chất bán dẫn hấp thu ánh sáng, hóa e,h ≠ Hình Error! No text of specified style in document 3: Hóa e,h cặp điện tử lỗ trống Khi cho hai loại bán dẫn loại p loại n tiếp xúc với nhau, chênh lệch nồng độ hạt tải bán dẫn loại p n dẫn đến tượng khuếch tán hạt dẫn đa số vùng sang vùng bên cạnh (điện tử khuếch tán từ vùng n sang vùng p lỗ trống khuếch tán từ vùng p sang vùng n), tạo điện trường khuếch tán Nơi tiếp xúc hình thành vùng điện tích khơng gian gọi vùng nghèo Điện trường sinh vùng điện tích khơng gian gia tốc cho hạt dẫn thiểu số vùng sang vùng đối diện, sinh dòng điện trơi, đồng thời ngăn cản dòng khuếch tán Vùng điện tích khơng gian mở rộng trình cân mối tiếp xúc hình thành Lúc này, dòng trơi dòng khuếch tán Ở điều kiện cân (nhiệt độ thấp, khơng chiếu sáng, khơng cấp dòng ngồi), dòng khuếch tán lúc Điều có nghĩa là: JQ = Je + Jh = (1.7) (Với JQ, Je, Jh tương ứng mật độ dòng tổng cộng, mật độ dòng electron mật độ dòng lỗ trống) Khi chuyển tiếp p - n chiếu sáng, trình hấp thu xảy ra, điện tử lỗ trống tạo liên tục Lúc này, mức Fermi không số tồn hệ mà tạo thành hai mức EFC EFV Hình 1.4 biểu diễn hai mức Fermi EFC EFV chuyển tiếp p - n trạng thái không cân Lúc này, bên chuyển tiếp p - n tồn lượng hóa Ne,h - lượng tối đa mà chúng cung cấp cho tải ngồi Đây q trình hóa chuyển thành điện Do định hướng điện trường vùng nghèo lớp chuyển tiếp, điện tử bị vùng n lỗ trống bị vùng p Tại đây, nhờ chênh lệch điện hóa hai tiếp xúc chuyển tiếp p - n nối với điện cực, điện tử truyền ngồi tạo dòng điện qua tải Như vậy, cần xác định rõ điện trường lớp chuyển tiếp p - n đóng vai trò phân ly hạt tải bên chất bán dẫn, chênh lệch hai tiếp xúc với điện cực có nhiệm vụ truyền dẫn hạt tải điện ngồi Hình Error! No text of specified style in document 4: Cấu trúc lượng tiếp xúc p - n chiếu sáng  (Với qV độ chênh lệch hai mức Fermi,  điện trường vùng điện tích không gian điều kiện không cân bằng) Khi chuyển tiếp p - n chiếu sáng, cặp điện tử - lỗ trống sinh khắp nơi chất bán dẫn, nhiên cặp điện tử - lỗ trống sinh vùng nghèo vùng lân cận (-Lh  x  Le) đóng góp vào việc hình thành dòng điện tải ngồi [4] 1.1.2 Các thơng số đặc trưng PMT 1.1.2.1 Dòng đoản mạch (Jcs) Dòng đoản mạch dòng hạt tải thiểu số bên PMT - hay dòng quang điện tính theo cơng thức (1.8) Jsc thông số định hiệu suất PMT [2,4] J CS  q  bs ( E )QE ( E )dE (1.8) (Trong đó: Jsc mật độ dòng đoản mạch; q điện tích ngun tố; bs(E) mật độ quang thơng ánh sáng kích thích; QE(E) hiệu suất lượng tử PMT - xác suất mà photon chiếu tới có khả sinh electron cho mạch ngoài; dE lượng photon kích thích tính đơn vị diện tích đơn vị thời gian) 1.1.2.2 Dòng tối (Jt) Khi nối PMT với mạch ngồi (có tải), khơng chiếu sáng có chênh lệch nhỏ điện tích hai đầu PMT Nguyên nhân tượng tồn số lượng nhỏ hạt tải sinh chuyển động nhiệt Điều tạo dòng điện mạch ngồi gọi dòng tối (Jt) Mật độ dòng tối tính theo cơng thức: qv J t (v )  J (e e k BT  1) (1.9) (Trong đó: J0 số; V PMT; kB số Boltzmann; T nhiệt độ tuyệt đối) Ta thấy dòng tối ngược chiều với dòng đoản mạch, ta đưa vào giá trị mật độ dòng tổng cộng J xác định sau: qv J  J sc  J t  J SC  J (e e k BT  1) (1.10) 1.1.2.3 Thế mạch hở (Voc) Khi nối PMT với mạch ngồi (có tải) chiếu sáng, chênh lệch nồng độ hạt tải lớn hai đầu PMT (điện tử phía n lỗ trống phía p) làm cho V tăng lên dần Khi V đạt cực đại, người ta gọi mạch hở, ký hiệu Voc xác định theo công thức: Voc  kT  J sc  ln  1 q  J  (1.11) Khi V=Voc, dựa vào (1.11) ta có: V  Voc   kT  J sc ln  1 q  J0  (1.12) Thế (1.12) vào (1.10) ta được: J t (v)  J (e J SC 1 J0  1) (1.13) Từ (1.13) ta rút kết luận: Khi V = Voc Jsc = Jt, suy mật độ dòng tổng cộng J = Jsc – Jt = Lúc này, mạch ngồi khơng dòng hạt tải nào, điều giống việc ta áp PMT vào mạch điện bị hở đo PMT 1.1.2.4 Công suất hiệu suất PMT Công suất PMT xác định theo công thức: P =J V (1.14) (Trong đó: J nhận giá trị từ đến Jsc; V nhận giá trị từ đến Voc) Khi J = 0, ta có V=Voc; V = ta có J = Jsc Tại hai giá trị ta có P = Biểu diễn P đặc tuyến I - V PMT hình 1.5 Hình Error! No text of specified style in document 5: Đặc tuyến I-V PMT Tại giá trị P(JMP, VMP) điểm uốn đặc tuyến I – V (hay điểm cực trị), trường hợp P đạt cực đại, điểm gọi điểm công suất cực đại (Maximum power point - MPP) [2,4] Pm = JmpVmp = FFJscVoc (1.15) Hiệu suất PMT, ký hiệu η = Pm / Ps, tính theo cơng thức:  Voc J sc FF Ps (1.16) Trong đó: Ps công suất ánh sáng tới FF (Fill Factor) thừa số lấp đầy định nghĩa sau: FF  J mpVmp J scVoc (1.17) Từ đưa kết luận, thơng số làm việc PMT, bốn thông số quan trọng định tính chất PMT là: dòng đoản mạch Jsc, mạch hở Voc, thừa số lấp đầy FF, hiệu suất η Ngồi thơng số kỹ thuật yếu tố kinh tế, điều kiện mơi trường quan tâm chế tạo PMT  ... ngồi (có tải), khơng chiếu sáng có chênh lệch nhỏ điện tích hai đầu PMT Nguyên nhân tượng tồn số lượng nhỏ hạt tải sinh chuyển động nhiệt Điều tạo dòng điện mạch ngồi gọi dòng tối (Jt) Mật độ dòng... PMT [2,4] J CS  q  bs ( E )QE ( E )dE (1.8) (Trong đó: Jsc mật độ dòng đoản mạch; q điện tích nguyên tố; bs(E) mật độ quang thơng ánh sáng kích thích; QE(E) hiệu suất lượng tử PMT - xác suất