Mặt trời là một khối cầu có đường kính khống 1,4 triệu km với thành phần gồm các khí có nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ bên trong mặt trời đạt đến gần 15 triệu độ, với áp suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của Trái đất. Đây là điều kiện lý tưởng cho các phản ứng phân hạch của các nguyên tử hydro. Bức xạ gamma từ các phản ứng phân hạch này, trong quá trình được truyền từ tâm mặt trời ra ngoài, tương tác với các nguyên tố khác bên trong mặt trời và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp hơn, chủ yếu là ánh sáng và phần nhiệt của phổ năng lượng. Bức xạ điện từ này, với phổ năng lượng trải dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát ra khơng gian ở mọi hướng khác nhau. Quá trình bức xạ của mặt trời diễn ra từ 5 tỷ năm nay, và sẽ còn tiếp tục trong khoảng 5 tỷ năm nữa.
Hình 3.1 Bản đồ phân bố năng lượng mặt trời
Mỗi giây mặt trời phát ra một khối lượng năng lượng khổng lồ vào Thái dương hệ, chỉ một phần nhỏ tổng lượng bức xạ đến được trái đất có cơng suất vào khoảng 1.367MW/m2
ở ngoại tầng khí quyển của Trái đất, 30% bức xạ này bị phản xạ lại về không gian, 70% được hấp thụ bởi mặt đất, đại dương và khí quyển chuyển thành nhiệt sau đó tỏa lại về
54
khơng gian. Chỉ một phần nhỏ NLMT được sử dụng thì có thể đáp ứng được nhu cầu về năng lượng của thế giới.
Mặt trời là nguồn năng lượng mà con người có thể tận dụng được: sạch sẽ, đáng tin cậy, gần như vơ tận và có ở khắp mọi nơi. Việc thu giữ NLMT khơng thải ra khí và nước độc hại, do đó khơng góp phần vào vấn đề ơ nhiễm mơi trường và hiệu ứng nhà kính.
Tiềm năng về NLMT trên thế giới: phân bố không đồng đều trên thế giới, mạnh nhất là vùng xích đạo và vùng khơ hạn, giảm dần về phía cực trái đất. Tiềm năng kính tế sử dụng NLMT phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên trái đất, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của từng vùng miền. Theo số lượng thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên thế giới vào khoảng 2000kWh/m2/năm.
Tiềm năng về NLMT ở Việt Nam: phân bố không đồng đều trên lãnh thổ Việt Nam do đặc điểm địa hình khí hậu khác nhau của hai miền Nam và Bắc. Nói chung là cường độ năng lượng bức xạ không cao và thay đổi thất thường
Bảng 3.1 Tiềm năng NLMT một số nước trên thế giới.
STT Quốc gia Tiềm năng tWh/năm Bức xạ trung bình kWh/m2/năm 1 Angiêri 13,9 1970 2 Ai Cập 36,0 2450 3 Bồ Đào Nha 3,0 1910 4 Cô oét 2,5 1900 5 Hy Lạp 4,0 1730 6 Iran 16,0 2100 7 Irắc 6,8 2050 8 Ý 10,0 1800 9 Li Băng 1,5 1920
55
10 Marốc 17,0 2000
11 Saudi Arabi 13,9 2130
12 Tây Ban Nha 5,0 2000
Bảng 3.2 Tiềm năng NLMT ở Việt Nam
Vùng Giờ nắng trong năm Bức xạ kcal/cm2/năm Khả năng ứng dụng Đông bắc 1500-1700 100-125 Thấp Tây bắc 1750-1900 125-150 Trung bình Bắc trung bộ 1700-200 140-160 Tốt Tây nguyên, nam trung
bộ 2000-2600 150-175 Rất tốt Nam bộ 2200-2500 130-150 Rất tốt Trung bình cả nước 1700-2500 100-175 Tốt Hai ứng dụng chính của NLMT là:
Nhiệt mặt trời : Chuyển bức xạ mặt trời thành nhiệt năng, sử dụng ở các hệ thống
sưởi hoặc để đun nước tạo hơi quay turbin điện.
Điện mặt trời: Chuyển bức xạ mặt trời (dạng ánh sáng) trực tiếp thành điện năng
(hay còn gọi là quang điện – photovoltaics - PV).
Hai dạng hệ thống dân dụng sử dụng NLMT phổ biến nhất hiện nay là hệ thống nhiệt NLMT và hệ thống quang điện cá nhân. Một số hệ thống khác là: Hệ thống đun nước mặt trời, máy bơm NLMT và điện mặt trời sử dụng cho các trạm truyền thông vô tuyến ở vùng sâu vùng xa.
Nhu cầu về điện mặt trời tăng rất nhanh trong 20 năm qua, với tốc độ trung bình là 25% mỗi năm, trong năm 2004 tổng cơng suất lắp đặt điện mặt trời tồn cầu đạt 927 MW, tăng gần gấp đôi năm 2003( 574MW) và gấp hơn 40 lần so với 25 năm trước. Các quốc gia
56
phát trên thế giới đang thúc đẩy mạnh mẽ các kế hoạch phát triển điện mặt trời thông qua cải thiện kỹ thuật cũng như trợ vốn.
3.1 Pin mặt trời và lịch sử phát triển
Quang điện là một hiện tượng ánh sáng sinh điện. Khi ánh sáng rọi trên bề mặt một vật. Vật sẽ hấp thụ năng lượng nhiệt của ánh sáng cho đến tần số thời gian đạt đến mức hấp thụ cao nhất. Vật sẽ khơng cịn hấp thụ năng lượng nhiệt của ánh sáng. Tại thời điểm này năng lượng ánh sáng sẽ tách điện tử rời khỏi bề mặt của vật trở thành điện tử tự do có khả năng làm cho vật trở thành dẫn điện.
Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị chỉ có hiệu suất 1%. Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946. Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.
Năm 1887 Heinrich Hertz quan sát thấy hiệu ứng quang điện ngoài đối với các kim loại (cũng là năm ông thực hiện thí nghiệm phát và thu sóng điện từ). Sau đó Aleksandr Grigorievich Stoletov đã tiến hành nghiên cứu một cách tỷ mĩ và xây dựng nên các định luật quang điện.
Một trong các cơng trình của Albert Einstein xuất bản trên tạp chí Annal der Physik đã lý giải một cách thành công hiệu ứng quang điện cũng như các định luật quang điện dựa trên mơ hình hạt ánh sáng, theo thuyết lượng tử vừa được cơng bố năm 1900 của Max planck. Các cơng trình này dẫn đến sự cơng nhận về bản chất hạt của ánh sáng và sự phát triển của lý thuyết lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng.
3.2 Ngun lý hoạt động của tế bào quang điện 3.2.1 Hiện tượng quang điện ngoài 3.2.1 Hiện tượng quang điện ngoài
Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (ngồi).
Ánh sáng kích thích chỉ có thể làm bậc các electron ra khỏi một kim loại khi bước sóng của nó ngắn hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của kim loại đó.
57
𝜆 ≤ ℎ𝑐
𝐴 = 𝜆0 (3.1)
Trong đó:
λ: bước sóng ánh sáng.
λ0: giới hạn quang điện của kim loại. A: Cơng thốt.
h, c: hằng số
Hình 3.2 Hiện tượng ánh sáng làm bật electron ra khỏi bề mặt kim loại
3.2.2 Hiện tượng quang điện trong
Một số chất bán dẫn như Ge, Si, PbS, PbSe, PbTe,CdS, CdSe, CdTe,… có tính chất đặt biệt như sau: Chúng là chất dẫn điện kém khi không bị chiếu sáng và trở thành chất dẫn điện tốt khi bị chiếu ánh sáng thích hợp, các chất này gọi là chất quang dẫn.
Dựa vào thuyết lượng tử, ta có thể giải thích đặc tính của các chất quang dẫn như sau: Khi không bị chiếu sáng, các electron ở trong các chất nói trên điều ở trạng thái liên kết với nút mạng tinh thể. Khơng có electron tự do. Khi đó các chất nói trên là chất cách điện.
Khi chiếu sáng chất quang dẫn, mỗi phôtôn của ánh sáng kích thích sẽ truyền tồn bộ năng lượng của nó cho một electron liên kết. Nếu năng lượng mà electron nhận được đủ lớn thì electron đó có thể được giải phóng khỏi mối liên kết để trở thành electron dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện. Mặt khác, khi electron liên kết được giải phóng thì nó sẽ
58
để lại một lỗ trống. Lỗ trống này cũng tham gia vào quá trình dẫn điện. Kết quả là khối chất nói trên trở thành chất dẫn điện.
Hiện tượng ánh sáng giải phóng các electron liên kết để cho chúng trở thành các electron dẫn, đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện gọi là hiện tượng quang điện trong.
Hiện tượng quang điện trong được ứng dụng trong quang điện trở và pin quang điện.
3.2.3 Pin quang điện
Pin quang điện (còn gọi là pin mặt trời) là một nguồn điện chạy bằng năng lượng ánh sáng. Nó biến trực tiếp quang năng thành điện năng.
Các pin quang điện thường được làm bằng Si, Se, Ge, Te, CdS, GaAs... Ta hãy xét cấu tạo và hoạt động chung của pin quang điện.
Hình 3.3 Sơ đồ cấu tạo của pin quang điện
Pin có một tấm bán dẫn loại n, bên trên có phủ một lớp mỏng chất bán dẫn loại p (H 3.3). Có thể tạo ra lớp này bằng cách cho khuếch tán một tạp chất thích hợp vào lớp bề mặt của lớp bán dẫn loại n. Trên cùng là một lớp kim loại rất mỏng. Dưới cùng là một đế kim loại. Các kim loại này cùng đóng vai trị các điện cực trơ.
Electron sẽ khuếch tán từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p, để lại những lỗ trống dương. Các electron này vẫn có liên kết với các lỗ trống tạo thành một lớp gọi là lớp tiếp xúc p – n. Trong lớp tiếp xúc này có điện trường Etx hướng từ dương sang
59
âm, tức là hướng từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p. Điện trường Etx ngăn cản sự khuếch tán của electron từ n sang p và lỗ trống từ p sang n. Vì vậy người ta cịn gọi lớp tiếp xúc này là lớp chặn.
Khi chiếu ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang dẫn vào lớp kim loại mỏng phía trên cùng thì ánh sáng sẽ đi xuyên qua lớp này vào lớp bán dẫn loại p, gây ra hiện tượng quang điện trong và giải phóng ra các cặp electron và lỗ trống. Electron khuếch tán dễ dàng từ p sang n qua lớp chặn. Cịn lỗ trống thì bị chặn lại và ở lại trong lớp p. Kết quả là điện cực kim loại mỏng ở trên sẽ nhiễm điện dương và trở thành điện cực dương của pin, còn đế kim loại ở phần dưới sẽ nhiễm điện âm và trở thành điện cực âm của pin.
Nếu nối hai điện cực bằng một dây dẫn thông qua một ampe kế thì sẽ có dịng quang điện chạy từ cực dương sang cực âm.
Suất điện động của pin quang điện nằm trong khoảng từ 0,5V đến 0,8V.
Vậy nguyên tắc hoạt động của pin quang điện là dựa vào hiện tượng quang điện trong xảy ra bên cạnh một lớp chặn.
Pin quang điện đã được dùng làm nguồn điện cho các trạm nghiên cứu và cho sinh hoạt ở những nơi khó khăn cho việc dẫn điện lưới đến như: núi cao, hải đảo, các phương tiện lưu động, vệ tinh nhân tạo, trạm vũ trụ...
Để tránh gây ô nhiễm môi trường, người ta đã nghiên cứu thay thế các động cơ chạy xăng ở ôtô, máy bay... bằng các động cơ chạy bằng pin quang điện.
Người ta sử dụng Pin quang điện để biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng (Solar Cell). Nếu dùng pin quang điện bằng chất bán dẫn Silic, hiệu suất của nó có thể đạt đến 14-15%. Người ta tính được trên diện tích 1m2 của pin quang điện được ánh sáng chiếu tới ta có thể nhận được một cơng suất điện là 100 W và như vậy với diện tích của một mái nhà trung bình ta có đủ điện năng để thỏa mãn mọi tiện nghi cho một gia đình. Tuy nhiên, về giá thành của các Pin quang điện hiện nay còn tương đối khá đắt so với các nguồn năng lượng khác.
60
Hình 3.4 Nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời
Hình 3.5 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1<E2
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số ánh sáng)bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2.
Phương trình cân bằng năng lượng:
hv = E1-E2 (3.2)
61
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 cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng EV. Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hồn tồn 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 một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó khơng 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 , điện tử của vùng hố trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-,lúc này vùng hố 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 van quá trình dẫn điện .
Phương trình hiệu ứng lượng tử:
eV+hv→ e- + h+ (3.3)
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 (3.4) Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ là:
λC = hc/( EC – EV) (3.5)
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.
62
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 một photon chạm vào mảnh Silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:
Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn. Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa 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 ngồi cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế khơng 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.
.
Hình 3.7 Nguyên lý dẫn điện của vật 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 lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.
Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngồi cùng dẫn điện . Tuy nhiên, nhiệt độ của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được.
63
Hình 3.8 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
3.2.5 Các đặc trưng của pin mặt trời 3.2.5.1 Sơ đồ tương đương
Khi pin mặt trời được chiếu sang nếu như ta nối 2 lớp ban dẫn của tiếp xúc PN thì sẽ có dịng điện chạy qua lớp bán dẫn. dòng điện nãy gọi là Iph lúc này pin mặt trời tương đương một nguồn dịng.
64
Vì được cấu tạo là một lớp bán dẫn PN cho nên pin mặt trời có tính chất chỉnh lưu tương tự như một diod. Vì là một diode nên khi bị phân cưc ngược vẫn có một dịg điện gọi là