L ỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆ P
2.3.3 Nguyên lý hoạt động:
Hình 2.16: Nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời.
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. 19 Hình 2.18: Hình biểu diễn hai mức năng lượng của pin trong đó E1<E2.
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơp E1. Khi chiếu ánh sáng vào hệ
thống, lượng tửánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số
ánh sáng) bịđiện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2.
Phương trình cân bằng năng lượng: hv = E1 – E2 (2.1)
Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài,
nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành
vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị mà bên trên của nó có năng lượng Ev. Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng có
năng lượng là Ec, cách giữa vùng hoá trị và vùng dẫn gọi là vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử.
Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hv tới hệ thống, bị điện tử của vùng hóa trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để
trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hóa trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển như
“hạt” mang điện tích dương nguyên tố (ký hiệu h+). Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. 20 Hình 2.19: Các vùng năng lượng.
Phương trình hiệu ứng lượng tử: eV+hv —> e- + h+ (2.2)
Điều kiện đểđiện tử có thể hấp thụnăng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá trị
lên vùng dẫn, tạo ra cặp 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 ánh sáng vào vật, điện trở ở vùng hóa trị hấp thụnăng 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.
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. 21 Hình 2.20: Hiện tượng quang điện xảy ra trên tiếp xúc p-n.
Khi một photon chạm vào mảnh Silic, một trong hai chiều sau sẽ xảy ra:
Photon truyền trực tiếp qua mảnh Silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủđểđưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn.
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. 22