Phương trình hiệu ứng lượng tử:
eV + hv → e- + h+ (2.2)
Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử – lỗ trống là:
hv > Eg = Ec – Ev (2.3)
Suy ra bước sóng tới hạn λc của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ là:
λc = hc/( Ec – Ev) (2.4)
Vậy khi chiếu sáng vào 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 tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong.
Nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n. Khi một photon chạm vào mảnh Silic, một trong hai điều sẽ xảy ra:
Photon truyền trực tiếp xuyên qua mảnh Silic. Điều này thường xảy ra khi
năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn.
Năng lượng của photon được hấp thụ bởi Silic. Điều này xảy ra khi năng
lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong mạng tinh thể. Thông thường các electron này ở lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống". Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.
Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của Mặt Trời thường tương đương 6000°K, nên phần lớn năng lượng Mặt Trời đều được hấp thụ bởi Silic.
2.3 Các đặc trưng điện của Pin Mặt Trời. 2.3.1 Sơ đồ tương đương. 2.3.1 Sơ đồ tương đương.
Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n bằng một dây dẫn, thì Pin
Mặt Trời phát ra một dòng quang điện Iph. Vì vậy ta có thể xem Pin Mặt Trời như
một nguồn dòng.
Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu tương đương như một diod. Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dòng điện rò chạy qua. Để đặc trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc nói trên ta có
thêm đại lượng điện trở sơn Rsh (Shunt).
Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các lớp tiếp xúc. Đặc trưng cho tổng trở của tất cả các lớp đó là điện trở R nối tiếp trong mạch (có thể xem là điện trở trong của pin).
Chương II: Pin năng lượng Mặt Trời