A. Lý thuyết tổng quan
A.3.2. Nguyên lý hoạt động
Khi Pin Mặt Trời chưa được chiếu sáng
Khi chưa được chiếu sáng, nồng độ của lỗ trống trong bán dẫn loại p lớn hơn rất nhiều so với nồng độ lỗ trống trong bán dẫn loại n (pp >> pn). Nồng độ điện tử trong bán dẫn loại n lớn hơn rất nhiều so với nồng độ điện tử trong bán dẫn loại p (nn>>np). Chính sự chênh lệch nồng độ này gây ra hiện tượng khuếch tán của các hạt tải đa số: lỗ trống khuếch tán từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n, điện tử khuếch tán từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p.
Hình A.3.2:Giản đồ vùng năng lượng khi bán dẫn ở trạng thái cân bằng[2] Khi đạt trạng thái cân bằng, mức Fermi trong bán dẫn là hằng số, do đó các mức năng lượng của vùng dẫn và vùng hóa trị bị uốn cong khi đi qua vùng điện tích không gian và hình thành rào thế tiếp xúc Vtx. Rào thế này duy trì sự cân bằng giữa các lỗ trống tải điện cơ bản trong bán dẫn loại P và các điện tử tải điện không cơ bản trong bán dẫn loại P, giữa các điện tử tải điện cơ bản trong bán dẫn loại N và các lỗ trống tải điện không cơ bản trong bán dẫn loại N. Trong điều kiện cân bằng, rào thế tiếp xúc giữa bán dẫn loại N và bán dẫn loại P là một giá trị xác định và phụ thuộc vào sự chênh lệch nồng độ của hai bán dẫn [3].
2 ln b a d tx Fn Fp i k T N N V q n
1 2 2 s tx a d a d V N N W q N N
Trong đó:εs là hằng số điện môi của bán dẫn.
Khi Pin Mặt Trời được chiếu sáng:
Hình A.3.3:Các vùng sinh hạt tải trong Pin Mặt Trời.(chấm đen là điện tử, chấm trắng là lỗ trống).
Khi chuyển tiếp p-n được chiếu sáng, các cặp điện tử và lỗ trống có thể được sinh ra khắp nơi trong chất bán dẫn. Nhưng chỉ những cặp điện tử và lỗ trống được sinh ra trong vùng nghèo và vùng lân cận (-x0x x0) mới đóng góp vào dòng điện đi ra tải ngoài. Trên hình A.3.3 mô tả khá rõ về các vùng sinh hạt tải trong Pin Mặt Trời bao gồm:
Vùng thứ nhất (1) trong khoảng x < -x0 và x > x0, những cặp điện tử và lỗ trống được sinh ra trong những khoảng này xem như không đóng góp vào dòng điện, do bị tái hợp trước khi khuếch tán tới vùng (2).
Vùng thứ hai là vùng điện tích không gian (2), điện tử sinh ra trong vùng này sẽ bị điện trường đẩy về vùng N và lỗ trống tương tự sẽ bị đẩy về vùng P.
Trong vùng thứ ba (3): điện tử sinh ra trong vùng P bị cuốn về vùng N và lỗ trống sinh ra trong vùng N bị cuốn về vùng P.
Khi chuyển tiếp p-n được chiếu sáng thì mức Fermi không còn là hằng số trong toàn hệ mà sẽ “tách” thành hai mức EFC và EFV tương ứng được gọi là chuẩn mức Fermi của điện tử và lỗ trống [2].
Hình A.3.4:Sự tách mức trong bán dẫn loại n khi được chiếu sáng
Giả sử chuyển tiếp p-n được nối với hai điện cực và sự tái hợp tại hai bề mặt này rất lớn, dẫn đến nồng độ điện tử tại tiếp xúc bên trái và lỗ trống tại tiếp xúc bên phải của chuyển tiếp p-n khi được chiếu sáng cũng bằng với nồng độ của chúng khi chưa chiếu sáng. Kết quả là hai chuẩn mức Fermi EFCvà EFV sẽ có cùng giá trị tại hai tiếp xúc, tạm gọi là EFtvà EFp. Do điện tử là hạt tải thiểu số trong vùng bán dẫn loại p và lỗ trống là hạt tải thiểu số trong vùng bán dẫn loại n nên hai chẩn mức Fermi EFC và EFV của chuyển tiếp p-n trong trạng thái không cân bằng sẽ có dạng như trong hình A.3.5.
Hình A.3.5: Tiếp xúc p-n khi được chiếu sáng, trường hợp chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng
Với qV là độ chênh lệch giữa hai chuẩn mức Fermi,
là điện trường tại vùng điện tích không gian trong điều kiện không cân bằng.
Lúc này, bên trong chuyển tiếp p-n sẽ tồn tại một lượng hóa năng là Ne,h. Đây là năng lượng tối đa mà chúng có thể cung cấp cho tải ngoài. Đó chính là quá trình hóa năng chuyển hóa thành điện năng.
Trường hợp thứ hai, thế tiếp xúc của chuyển tiếp p-n có giá trị nhỏ hơn thế V giữa hai chuẩn mức Fermi EFCvà EFV. Vì thế, hóa năng không được chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng. Lúc này EFt– EFp< EFC - EFV= qV như mô tả trong hình A.3.6.
Hình A.3.6: Chuyển tiếp p-n khi chiếu sáng, trường hợp không chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng
Thế chênh lệch giữa hai đuôi vùng chính là thế mạch hở của PMT:
(EFt - EFp) -Eex=qVoc với Eex là năng lượng liên kết của exciton. Trong trường hợp hóa năng chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng, nó cũng chính là thế chênh giữa hai chuẩn mức Fermi (chỉ trong trường hợp tiếp xúc đồng chất).
Từ cơ sở lý thuyết của pin mặt trời vô cơ, ngày nay việc sử dụng các polymer dẫn làm vật liệu thay thế cho bán dẫn vô cơ tạo thành pin mặt trời hữu cơ. Về cơ bản sự thay đổi vật liệu không làm thay đổi cấu trúc của pin cũng như nguyên lý hoạt động cơ bản của pin mặt trời. Do đó có thể áp dụng các lý thuyết pin mặt trời
vô cơ cho pin mặt trời. Tuy nhiên do đặc điểm của mỗi loại vật liệu khác nhau nên sẽ có một vài điểm khác biệt giữ pin mặt trời vô cơ và hữu cơ. Trong pin mặt trời hữu cơ, điện trường nội sinh ra do tiếp xúc giữa hai loại vật liệu donor và aceptor. Vật liệu donor là loại vật liệu cho điện tử hay vật liệu dẫn truyền lỗ trống (tương ứng với bán dẫn vô cơ loại loại p), tương tự vật liệu aceptor là vật liệu nhận và dẫn truyền điện tử (tương ứng với bán dẫn vô cơ loại loại n). Với đặc điểm có thể hòa tan trong các dung môi của vật liệu hữu cơ, pin mặt trời hữu cơ có thê được tạo thành với các cấu trúc pin như sau [12]:
Pin lớp đôi (double layer cell): được cấu thành bởi hai lớp vât liệu A và D tiếp giáp với nhau, được kẹp giữa hai điện cực (hình A.3.7)
Hình A.3.7: Pin lớp đôi (double layer cell) cấu trúc b) và giản đồ năng lượng a)
Trong bán dẫn hữu cơ, năng lượng liên kết Eb của các exciton có giá trị từ trải dài trên khoảng 0.4-0.95eV (>> kBT) lớn hơn khá nhiều năng lượng liên kết của exciton trong bán dẫn vô cơ. do đó độ chênh lệch giữa hai mức HOMO loại donor và LUMO loại A cần đủ lớn để tách các exciton.Với cấu trúc này thì lớp hoạt động quang được mở rộng ra với độ dài khuếch tán của cả hai loại vật liệu. Hơn nữa, việc sử dụng hai vật liệu cho phép tăng dãy hấp thụ ánh sáng của pin. Tuy vậy những loại này vẫn còn hạn chế về kích thước của lớp hoạt tính, chỉ nằm trong một vùng hẹp hai bên tiếp xúc D/A. Nhằm khắc phục nhược điểm của pin lớp đôi, pin lớp trộn đã được khảo sát.
Pin lớp trộn (Blend Layer Cell): lớp trộn giữa hai loại bán dẫn D và A được kẹp giữa hai điện cực như hình A.3.8. Các hạt mang điện cũng được phân tách tại tiếp giáp D/A nên chúng có ưu điểm hơn là pin đơn lớp, ví dụ như phân ly hạt tải và độ dày lớp hoạt tính. Nhưng ưu điểm chính của pin loại này là lớp hoạt tính dày hơn tổng của hai độ dài khuếch tán ở bán dẫn loại A và D bởi vì cấu trúc trộn này bao gồm một mạng lưới thâm nhập sâu với với các độ dày miền < 20nm (hai lần độ dày khuếch tán exciton).
Hình A.3.8: Pin lớp trộn (blend layer cell)
Theo tính toán thì độ dày tối thiểu của một bán dẫn hữu cơ hấp thụ gần 100% ánh sáng khoảng 150nm. Nhưng nó cũng có các nhược điểm sau:
Khi tạo màng bằng phương pháp dung dịch, thì ta cần có dung môi phù hợp hòa tan được cả hai loại donor và aceptor.
Có hình thái học hỗn độn nên việc lấy hạt tải ra gặp nhiều khó khăn. Nhằm khắc phục các nhược điểm của pin lớp trộn mà vẫn giữ được các ưu điểm của nó, pin mặt trời dạng phiến đã được tìm hiểu.
Pin dạng phiến (Laminated Layer Cell): hai lớp vật liệu được chế tạo trước trên hai điện cực, sau đó được ép lại với nhau và có tác dụng nhiệt nhằm cải thiện lớp tiếp giáp D/A như hình A.3.9. Đây là mô hình khá hoàn hảo khi kết hợp được ưu điểm của mô hình blend và nhị lớp. Tại lớp tiếp giáp D/A, hai loại bán dẫn
khuếch tán vào nhau làm tăng vùng hoạt tính nhưng vẫn giữ khả năng truyền hạt ra điện cực.
Hình A.3.9:Pin dạng phiến (Laminated layer cell)
Tương tự như pin mặt trời vô cơ, điện trường nội của pin cũng được tạo từ hai vật liệu: một loại vật liệu donor cho điện tử hay dẫn truyền lỗ trống và aceptor là vật liệu nhận điện tử hay dẫn truyền điện tử. Nên tiếp xúc trong pin mặt trời hữu cơ là tiếp xúc dị chất. Các cặp điện tử lỗ trống hay exciton bị phân li dưới tác dụng của điện trường tại lớp tiếp xúc donor- aceptor.