2 .3Cơ bản về bán dẫn
2.3.3Cấu trúc P-N cho PV
Năng lượng từ photon sinh ra cặp electron tự do - lỗ trống, nhưng chúng có khuynh hướng kết hợp làm giảm dòng điện pin. Để ngăn chặn sự kết hợp đó, cần thiết tạo ra một điện trường nhằm tách electron tự do và lỗ trống thành 2 vùng. Cách để tạo điện trường là thiết lập 2 vùng khác biệt trong tinh thể silicon. Một vùng gồm những tinh thể silicon tinh khiết trộn lẫn một lượng nhỏ nguyên tố hóa học có hóa trị 3, tương tự đối với vùng cịn lại nhưng với ngun tố hóa học hóa trị 5.
Nguyên tố hóa học hóa trị 5 có thể là phospho, chỉ khoảng 1/1000 phospho so với silicon. Khi một nguyên tử phospho trộn lẫn vào tinh thể silicon tinh khiết, như hình 2.12, nguyên tử phospho sẽ liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử silicon xung quanh. Do đó, electron ngồi cùng cịn lại của phospho sẽ trở thành electron tự do. Ngoài ra, nguyên tử phospho bị mất đi một electron ngoài cùng sẽ có điện tích +1 và trở thành điện tích dương cố định trong mạng tinh thể. Vùng trộn lẫn này, gồm có electron tự do, gọi là vùng n (negative, n-type).
Hình 2. 12 Ngun tử hóa trị 5
Vùng trộn lẫn cịn lại có tỷ lệ ngun tố hóa trị 3 so với silicon khoảng 1/10 triệu, nguyên tố hóa trị 3 có thể là boron. Boron liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử silicon xung quanh bằng 3 electron ngoài cùng. Do đó, sẽ cịn thiếu một electron liên kết đồng hóa trị và tạo ra một lỗ trống. Lỗ trống giống như một điện tích dương
Hình 2. 13 Ngun tử hóa trị 3
Nếu để vùng p cạnh vùng n, chỗ tiếp xúc của 2 vùng sẽ có hiện tượng khuếch tán electron-lỗ trống. Như trên hình 2-14, electron ở vùng n sẽ khuếch tán qua chỗ tiếp xúc để lấp các lỗ trống ở vùng p. Khi hiện tượng khuếch tán diễn ra, gần chỗ tiếp xúc p-n chỉ cịn lại tương ứng điện tích dương cố định ở vùng n và điện tích âm cố định ở vùng p. Một điện trường sẽ phát sinh ở chỗ tiếp xúc p-n đồng thời cản lại hiện tượng khuếch tán.
Hình 2. 14 Tiếp xúc P-N
Vùng phát sinh điện trường ở chỗ tiếp xúc p-n khơng cịn các điện tích tự do cả dương và âm được gọi là miền nghèo (depletion region). Miền nghèo rộng khoảng 1 cm và có hiệu điện thế 1V, điện trường trong miền này lên đến 10.000V/cm.
Đối với PV có cấu trúc p-n sẽ ngăn được sự kết hợp trở lại của electron và lỗ trống. Khi năng lượng photon được hấp thu, cặp electron-lỗ trống được tạo ra. Điện trường ở miền nghèo sẽ đẩy electron về vùng n và lỗ trống về vùng p. Hơn nữa, khi vùng p và vùng n tương ứng tích lũy nhiều lỗ trống và electron tự do sẽ tạo nên một
hiệu điện thế. Dòng điện dễ dàng sinh ra khi 2 đầu hiệu điện thế này được nối tải thích hợp, như hình 2.15.
Hình 2. 15 Mẫu PV
2.3.4 Cơng nghệ chế tạo PV
Công nghệ chế tạo PV ngày càng phát triển đa dạng. Từ những cell pin truyền thống có độ dày từ 200-500 µm , những cell pin ở dạng “màng mỏng” (thin- film) dần dần chiếm ưu thế. Cell pin màng mỏng có độ dày 1-10µm , khơng dùng nhiều vật liệu bán dẫn và dể chế tạo hơn nên giá thành cạnh tranh hơn. Loại cell pin này dùng nhiều cho các thiết bị: máy tính bỏ túi, đồng hồ và trong nhiều mạch điện tử. Hình 2.16 mơ tả các hướng cơng nghệ cho PV dựa theo 2 hướng chính.
Hình 2. 16 Hướng chế tạo PV
Vật liệu chế tạo PV không chỉ dừng lại ở nguyên tố silicon, germanium (cùng nằm trong nhóm 4-bảng tuần hồn ngun tố hóa học với silicon) cũng được dùng thay thế. Vật liệu chế tạo PV còn sử dụng hỗn hợp của 2 nguyên tố, thường sử dụng nhất là cell pin GaAs (Gallium và Arsenic) và CdTe (Cadmium và Tellurium). Những cặp vật liệu này thường nằm ở 2 nhóm đối xứng với nhóm 4, mơ tả trên hình 2.17.
Hình 2. 17 Bảng tuần hồn
2.4 Hệ thống PV
2.4.1 Hệ thống PV độc lập
PV đầu tiên được ứng dụng độc lập. Đối với những vùng nông thôn, vùng núi cao, hay ở những vùng hẻo lánh của các nước đang phát triển, nơi mà lưới điện quốc gia chưa cung cấp đến, thì việc sử dụng các hệ thống PV độc lập hoàn toàn cấp thiết. Nguồn điện lấy xuống từ PV sẽ được cấp cho tải DC hoặc qua hệ thống nghịch lưu rồi cấp cho tải AC. Phần lưu trữ cũng rất quan trọng, giúp lưu năng lượng và phát lại.
Hình 2. 18 Hệ thống độc lập 2.4.2 Hệ thống PV kết hợp
Hầu hết các trường hợp ứng dụng trong các hệ thống lớn, hệ thống PV thường được dùng thêm với máy phát diesel. Đối với trường hợp đó, hệ thống PV độc lập thường không thể cung cấp đủ nguồn năng lượng yêu cầu cho tải. Hệ thống PV kết hợp máy phát vừa đáp ứng đủ yêu cầu của tải vừa sử dụng được thêm nguồn năng lượng từ PV.
Hình 2. 19 Hệ thống kết hợp 2.4.3 Hệ thống PV nối lưới
Hệ thống kết lưới PV góp phần gia tăng cơng suất cho hệ thống lưới điện quốc gia và tiết kiệm chi phí dùng điện cho các hộ sử dụng cũng như các công ty ở các nước phát triển. Hơn nữa hệ thống PV kết lưới khơng cần phải có các thiết bị lưu trữ vì cơng suất khơng dùng hết có thể cấp hết lên lưới. Trong những năm gần