5. Cấu trúc luận văn
1.2.2. Nguyên lý hoạt động
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hν (h là hằng số Plank và ν là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2.
Hình 1. 12 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Hình 1. 13 Hệ thống 2 mức năng lượng (E1<E2)
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 cần bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng Ev. Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó 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 hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí
hiệu h+). Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Hình 1. 14 Các vùng năng lượng
Phương trình hiệu ứng lượng tử eV + hv → e- + h+
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 (1.15) Suy ra bước sóng tới hạnλ của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e' - h+ là:
λ = hc/( Ec - Ev) (1.16) Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá 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 photon chạm vào mảnh silic thì sẽ truyền xuyên qua mảnh silic (thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn) hoặc năng lượng của photon được hấp thu bởi silic (thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng đủđểđưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn).
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể. Thông thường các electron này 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 lồ trống di chuyên 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, vì thế năng lượng đều được hấp thu bởi silic. Tuy nhiên, hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành nhiệt năng hơn là điện năng.
Một tế bào mặt trời sản sinh lượng điện năng rất ít. Vì thế để đáp ứng được nhu cầu sử dụng điện năng lớn người ta thường liên kết các tế bào mặt trời lại với nhau thành từng nhóm gọi là mudule mặt trời. Một module mặt trời có một giàn khung để giữ các tế bào và thông thường thì chúng có thể tạo ra tới vài trăm watt điện năng. Nếu cần công suất lớn hơn nữa, thì có thể ghép các module lại thành ma trận mặt trời.