Tính chất vật lý của pin quang điện rất giống mối nối p-n cổ điển (hình ). Khi ánh sáng được hấp thụ bởi mối nối, năng lượng hấp thụ proton được truyền tới hệ thống electron của vật liệu, kết quả tạo thành các phân tủ tích điện có thể là cặp electron trong một dung dịch điện ly hoặc một cặp electron trong một khố vật liệu bán dẫn. Phần tử mang điện trong một vùng mối nối tạo thành một dốc điện thế, được tăng nhanh hơn dưới điện trường và lan truyền như một dòng điện chạy bên ngoài mạch. Dòng điện được điều chỉnh số lần điện trở trong mạch điện là công suất chuyển đổi thành điện năng. Năng lượng còn lại của pin làm tăng nhiệt độ của pin lên. Nguồn gốc của điện thế là sự khác nhau trong điện thế hóa, gọi là cấp fecmi of electron trong 2 vật liệu riêng biệt. Khi chúng được nối lại, mối nối gần như trạng thái cân bằng nhiệt động học mới. Như vậy sự cần bằng mới có thế đạt được chỉ khi cấp độ của fecmi thì cân bằng 2 vật liệu. Điều này xảy ra bởi dòng electron từ một vật liệu đến vật liệu khác cho tới khi một điện áp khác được đặt giữa 2 vật liệu mà có điện áp vừa bằng với cấp fecmi khác nhau. Điện thế này điều khiển dòng quang điện [4].
Hình 1.6. Hiệu ứng quang điện chuyển đổi proton thành năng lượng điện qua mối nối p-n
Hình 1.7. Cấu trúc cơ bản của pin năng lượng mặt trời
Trong việc so sánh lựa chọn các công nghệ năng lượng, việc cân đo quang trong nhất là giá cả năng lượng trên 1kwh phân phối. Đối với năng lượng quang điện, giá trị này phụ thuộc vào hai thông số, hiệu suất chuyển đổi năng lương quang điện và tổn thất chủ yếu trên 1watt. Đồng thời 2 thông số này biểu thị cho sự cạnh tranh về kinh tế của năng lượng quang điện.
Hiệu suất chuyển đổi của pin năng lượng quang điện như sau:
1.3.1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời [4]
PMT hoạt động dựa trên khả năng của chất bán dẫn biến đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng gọi là hiệu ứng quang điện (PV). Trong quá trình biến đối năng
lượng của trùm ánh sáng tới tạo ra những hạt tải linh động trong chất bán dẫn sau đó những hạt tải này bị tách ra do cấu trúc của linh kiện bán dẫn sinh ra dòng điện.
Hình 1. 8. Cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn
Hiệu ứng quang điện của pin mặt trời sinh ra là nhờ lớp chuyển tiếp p-n với cấu trúc vùng năng lượng nêu ở hình 1.8. Đặc điểm quan trọng của tất cả các lớp chuyển tiếp p-n là đều chứa một điện trường tiếp xúc mạnh, chính điện trường này đem lại khả năng tách hạt dẫn điện của linh kiện bán dẫn. Vậy điện trường tiếp xúc này được hình thành như thế nào và sự tách hạt dẫn điện xảy ra như thế nào?
Khi cho hai mẫu bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc với nhau, do sự chênh lệch mức Fermi sẽ có một dòng khuếch tán các hạt dẫn điện điện tử (e) từ bên n sang bên p và lỗ trống (h+) từ bên p sang bên n để lại các tâm hạt mang điện tích dương ở lớp chuyển tiếp của bán dẫn n và các điện tích âm của bán dẫn p ở lớp chuyển tiếp. Sự tạo ra các điện tích cố định này sinh ra một điện trường tiếp xúc trong vùng chuyển tiếp có chiều ngược lại sự gia tăng khuếch tán của dòng điện tử, lổ trống. Điện trường tiếp xúc này kéo dài các tải không cơ bản mang điện tích trái dấu ra theo hai hướng ngược nhau (hình 1.9), đó là bản chất hiện tượng tách hạt tải của lớp chuyển tiếp p-n để tạo nên dòng quang điện.
Hình 1.9. Sự tách hạt ở hai lớp chuyển tiếp và hình thành dòng quang điện Ở trang thái cân bằng, cấu trúc vùng năng lượng của lớp chuyển tiếp được biểu diễn như hình 1.10:
Hình 1.10. Cấu trúc vùng năng lượng của lớp chuyển tiếp
1.3.2. Một số ứng dụng của pin mặt trời hiện nay [5]
1.3.2.1. Bình nước nóng năng lượng mặt trời
Tận dụng nhiệt từ năng lượng mặt trời là một ứng dụng có quy mô lớn nhất trong các ứng dụng năng lượng mặt trời. Những thiết bị thu hoặc tập trung năng lượng đạt hiệu suất rất cao, do đó nó được ứng dụng rộng rãi để phục vụ cho các hộ gia đình, phục vụ cho các ngành công nghiệp khác nhau.
Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của năng lượng mặt trời là dùng để đun nước nóng. Các hệ thống thiết bị cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời ngày nay được sử dụng ngày càng nhiều lĩnh vực khác nhau trên thế giới. Ở Việt Nam trong những năm gần đây thiết bị cung cấp nước nóng với qui mô hộ gia đình đã được nhiều cơ sở sản xuất và đã thương mại hoá, với giá thành có thể chấp nhận được nên người dân sử dụng ngày càng nhiều.