Năm 1887, nhà vật lí người Đức, Heinrich Hertz phát hiện ra hiện tượng quang điện và sau đó Albert Einstein đã giải thích hiện tượng đó bằng định luật quang điện và mang lại cho ông giải Nobel vật lý vào nằm 1921 [1]. Ngày nay, hoạt động của hầu hết các loại pin mặt trời đều được giải thích dựa vào định luật quang điện của Einstein. Tuy nhiên từ trước đó một số hiệu ứng quang điện đã được các nhà vật lí phát hiện ra có thể kể đến như: Năm 1839 hiệu ứng quang thế được nhà khoa học người Pháp Edmond Becquerel phát hiện khi ông đo điện thế của một điện cực tăng lên khi nó hấp thụ ánh sáng [2]. Năm 1873, hiện tượng quang dẫn được khám phá bởi một kĩ sư điện người Anh tên là Willoughby Smith khi ông phát hiện ra selenium trở thành dẫn điện khi nó hấp thụ ánh sáng. Năm 1883, nhà phát minh người Mĩ Charles Fritts tạo ra pin mặt trời (PMT) đầu tiên bằng việc phủ một lớp màng mỏng Au lên bề mặt của selenium cho hiệu suất 1-2 % [1].
a) b)
c)
d)
Hình 1.1. Hình ảnh một số nhà khoa học có cơng đầu trong lĩnh vực pin mặt trời: (a)
Heinrich Hertz; (b) Albert Einstein; (c) Willoughby Smith và (d) Edmond Becquerel.
Đến năm 1954, pin mặt trời silic đầu tiên trong thực tế được chế tạo bởi các nhà vật lí tại phịng thí nghiệm Bell với hiệu suất khoảng 6 % [1]. Sau đó một năm, Phịng Bán dẫn-điện tử Hoffman tạo ra pin mặt trời thương mại có hiệu suất 2% với giá 25 đô la Mĩ cho một cell hoặc 1.785 đô la Mĩ cho mỗi watt. Trong những năm
6
1970, giá dầu Thế giới tăng mạnh nên nhu cầu về năng lượng mặt trời tăng cao, Tập đoàn Exxon đã tài trợ nghiên cứu để tạo ra pin mặt trời làm từ silicon với hiệu suất thấp hơn và vật liệu rẻ hơn, đẩy chi phí từ 100 đơ la mỗi watt xuống chỉ cịn 20 - 40 đơ la mỗi watt [1]. Từ cuối thế kỉ XX đến nay, các nghiên cứu về PMT theo xu hướng tìm ra loại vật liệu mới, cấu hình mới có giá thành rẻ hơn, hiệu suất cao hơn , đặc biệt gần đây cấu hình PMT do Gratzel (1991) đưa ra rất được quan tâm [3].
Phân loại các họ PMT: PMT có nhiều loại và thường được đặt tên theo loại
vật liệu bán dẫn mà chúng được tạo ra như PMT Silic, PMT CdTe, PMT vơ cơ, PMT hữu cơ, PMT Perovskite,… Tuy nhiên có thể phân loại chúng thành ba thế hệ là thế hệ thứ nhất, thế hệ thứ hai và thế hệ thứ ba [4]–[8].
Hình 1.2. Biểu đồ mơ tả các thế hệ pin mặt trời (a) [6] và biểu đồ biểu diễn hiệu
suất với giá thành của chúng (b) [9].
Các PMT thế hệ đầu tiên còn được gọi là các PMT truyền thống được làm
bằng vật liêu silic tinh thể (đơn tinh thể hoặc đa tinh thể).
Thế hệ PMT thứ hai là các PMT màng mỏng, bao gồm các loại PMT silic vơ
định hình, CdTe và CIGS (Copper Indium Gallium Diselenide), rất có ý nghĩa thương mại trong các nhà máy quang điện, xây dựng hệ thống quang điện tích hợp hoặc trong hệ thống điện độc lập nhỏ. Các PMT loại này có cấu trúc là một tiếp giáp p-n như được mơ tả trong Hình 1.3, trong đó vật liệu dùng để dẫn hạt tải đồng thời cũng là vật liệu sinh hạt tải. Quá trình khuếch tán của các điện tử (e-) từ bán dẫn loại n và lỗ trống (h+) từ bán dẫn loại p vào vùng tiếp giáp và tái hợp với nhau đã hình thành một vùng nghèo hạt tải (space charge region). Điện trường nội (buil-in electric field) được hình thành bởi tiếp xúc p-n đóng vai trị tách các hạt tải được sinh ra (carrier generation) về phía các điện cực (anode và cathode). Thế hở mạch tối đa của PMT loại này là sự chênh lệch mức Fermi của lớp bán dẫn p (EFp) và lớp
7
Hình 1.3. Giản đồ năng lượng của pin mặt trời tiếp giáp p-n silicon tinh thể [10]. Thế hệ PMT thứ ba bao gồm một số công nghệ màng mỏng thường được mô
tả là các thiết bị quang điện mới nổi, hầu hết chúng chưa được ứng dụng thương mại và vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu hoặc phát triển. Chúng thường được gọi với các tên như PMT nhạy màu, PMT hữu cơ, PMT plasmonic, PMT Perovskite… Mặc dù thực tế là hiệu suất của chúng chưa cao và độ ổn định của vật liệu hấp thụ thường quá ngắn so với các ứng dụng thương mại, tuy nhiên hiện nay đã đang có rất nhiều nghiên cứu được đầu tư vào các cơng nghệ này vì chúng hứa hẹn sẽ đạt được mục tiêu sản xuất với chi phí thấp và hiệu quả cao. Cấu trúc cơ bản của PMT loại này tương tự như cấu trúc của một PMT nhạy màu như được mô tả trong Hình 1.4.
Bao gồm một lớp dẫn điện tử (thường là TiO2 hoặc ZnO), một lớp hấp thụ (có thể là Dye, Provskite, polymer,…) và chất điện ly (hoặc chất dẫn lỗ trống). Thế hở mạch tối đa của Pin được tính bằng sự chênh lệch giữa mức Fermi của chất dẫn điện tử và mức Fermi của chất dẫn lỗ trống [11].
8
Hình 1.4. Nguyên lý hoạt động và biểu đồ mức năng lượng của PMT nhạy màu.
Các mức thế được tham chiếu đến điện cực hydro thông thường (NHE) [11].
PMT plasmonics là loại PMT được tích hợp cấu trúc plasmonics với PMT
thơng thường.