2.2. Các kỹ thuật phân tích
2.2.4. Đặc trưng dòng điện – điện áp (I-V)
Pin mặt trời là một linh kiện sử dụng chuyển tiếp p-n. Vì thế, đặc trưng dịng – điện áp của nó được biểu diễn bởi đặc trưng I-V của một điốt bán dẫn trong tối ở điều kiện lý tưởng và được viết như sau:
( ) (2.4)
Trong đó, q là điện tích của điện tử, V là điện áp phân cực, T là nhiệt độ tuyệt đối, k là hằng số Boltzmann, A là hệ số phẩm chất của điốt, Io là dòng ngược bão hòa và được xác định như sau:
( ) (2.5)
Trong đó, Dp, Dn là hệ số khuếch tán, Lp, Ln là chiều dài khuếch tán và np và pn là n ng độ hạt tải không cơ bản tương ứng của lỗ trống và điện tử. Jo và A phụ thuộc vào cơ chế tái hợp mà hạt tải chiếm ưu thế trong linh kiện bán dẫn này. Khi qV >> AkT tại nhiệt độ phịng thì biểu thức (1.1) có thể biểu diễn dưới dạng gần đúng như sau:
( ) (2.6)
Ở điều kiện chiếu sáng, do quá trình phát sinh cặp điện tử - lỗ trống mới nên xuất hiện mật mật độ dòng quang điện IL chuyển dời qua chuyển tiếp. Lúc này dòng tổng cộng chuyển dời qua chuyển tiếp được xác định theo biểu thức sau:
40
( ) (2.7) Trong đó ILlà mật độ dịng phát sinh
Đặc trưng dòng – điện áp I-V của pin mặt trời lý tưởng ở điều kiện trong tối và chiếu sáng được biểu diễn như hình 1.3
Hình 2.5 Đặc trưng I-V của pin mặt trời trong điều kiện tối và sáng
Dễ thấy rằng, trong trường hợp lý tưởng, đường I-V sáng được dịch chuyển từ đường I-V tối về phía dưới theo trục I một đại lượng IL ISC
Phân tích đặc trưng I-V tối và sáng , có thể xác định các thơng số quang điện của pin mặt trời. Các thông số này được tổng hợp trong bảng 1.1 dưới đây:
Bảng 2.1 Các thông số quang điện của pin mặt trời xác định trên cơ sở đặc trưng I-V
Thông số Ký hiệu Đơn vị Xác định tại
Điện áp hở mạch VOC V I=0
Mật độ dòng điện ngắt mạch
JSC mA/cm2 V=0
Điện áp tương ứng điểm công suất cực đại Pmax
Vmax V V tại P = I.V đạt
41 Mật độ công suất tương
ứng điểm công suất cực đại Pmax
Imax mA/cm2 I tại P = I.V đạt cực đại
Hệ số lấp đầy FF %
Hiệu suất chuyển đổi
quang điện Ŋ
%
Mật độ dòng ngắt mạch được đinh nghĩa là dòng điện tại V = 0 nên được xác định ISC = IL. Điện áp hở mạch VOC được định nghĩa là điện áp tương ứng tại giá trị I = 0 trên đặc trưng I-V sáng. Từ biểu thức 1.3 ta có:
( ) (2.8)
Điểm đạt công suất cực đại Pmax = Imax.Vmax được xác định dựa vào đố thị quan hệ P = I.V = f(V) như trên biểu diễn trên hình 1.3
Hiệu suất chuyển đổi quang điện phụ thuộc rất lớn vào vật liệu chế tạo pin mặt trời và xác định bởi độ rộng vùng cấm của lớp hấp thụ. Đối với pin mặt trời một chuyển tiếp p-n, hiệu suất chuyển đổi tối ưu (~30%) đạt được khi độ rộng vùng cấm quang của lớp hấp thụ có giá trị Eg ~ 1,4 – 1,6 eV.
Tuy nhiên, pin mặt trời thực tế không thể mô tả bởi phương trình (1.1). Nguyên nhân là do không thể bỏ qua điện trở của vật liệu bán dẫn, các điện trở của tiếp xúc kim loại – bán dẫn và các tiếp xúc kim loại - kim loại. Tổng các trở này được gọi là điện trở nối tiếp RS. Ngoài ra cần đặc biệt lưu ý đến sự hiện diện của điện trở song song Rsh. Sự t n tại của Rsh được xác định bởi các chất pha tạp, sự khơng hồn hảo của bề mặt cũng
như dòng điện rị bề mặt của lớp hấp thụ. Vì vậy sơ đ tương đương của một pin mặt trời thực được biểu diễn như trên hình 1.4. Dễ dàng thấy rằng, đối với pin mặt trời lý tưởng thì RS 0 và giá trị Rsh
42
Hình 2.6 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời thực
Vì các tổn hao của điện trở RS và Rsh gây ra, nên phương trình biểu diễn đặc trưng I- V của pin mặt trời thực được hiệu chỉnh từ phương trình (1.1) và có dạng như sau:
( ( ) )
(2.9)
Khi các giá trị RS > 0 và Rsh < thì đặc trưng I-V sáng của pin mặt trời được biểu diễn như hình 1.5. Chúng ta có thể quan sát thấy, khi RS tang và Rsh giảm sẽ làm giảm hệ số lấp đầy và Pmax. Nếu RS tang q lớn thì dịng ngăt mạch giảm đáng kể, trong khi Rsh giảm mạnh thì dẫn đến điện áp hở mạch cũng giảm mạnh.
Hình 2.7 Ảnh hưởng của RS và Rsh lên đặc trưng I-V sáng trong hai trường hợp: (a)Khi RS tăng và (b)Khi Rsh giảm
Giá trị RS và Rsh có thể xác định từ độ dốc của đường I-V sáng (hình 1.5) tại các giá trị V = 0 và I = 0 bằng cách sử dụng quan hệ sau:
43 ( ) ( ) (2.10) ( ) ( ) (2.11)
Mặt khác, các giá trị RS và Rsh cũng có thể xác định theo phương pháp mà M. K. El- Adawi và I. A. Al-Nuaim đã công bố trên cơ sở đường đặc trưng I-V sáng thông qua các biểu thức sau:
( ) (
) (
) (2.12)
( ) (2.13)
Trong đó, IL là mật độ dòng quang điện phát sinh, V1, I1, V2, I2 là giá trị điện áp và dòng tương ứng tại hai điểm (1) và (2) trên đường đặc trưng I-V sáng, với và là điện thế nhiệt.
Hệ số phẩm chất A có thể được xác định theo biểu thức sau đây:
(2.14)
Trong đó, V là điện áp phân cực, I là mật độ dòng và đại lượng
được xác định từ độ dốc đường ngoại suy với phần tuyến tính của đ thị quan hệ lnI theo V.
44
CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO MÀNG MỎNG TiO2 VÀ MÀNG TỔ HỢP TiO2/NANO VÀNG SỬ DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC TRONG PIN QUANG ĐIỆN
HÓA, KHẢO SÁT PIN QUANG ĐIỆN HÓA VỚI ĐIỆN CỰC TiO2