Chương 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG LƯU TRỮ
2.1 Nghiên cứu và ứng dụng pin năng lượng mặt trời cho trạm sạc xe điện
2.1.4 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời
Pin năng lượng mặt trời (solar panel/pin mặt trời/pin quang điện) là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của vật chất.
Silicon được biết đến là một chất bán dẫn. Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. với tính chất như vậy, silicon là một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời.
Hình 2. 6: Nguyên lý của Pin năng lượng mặt trời
Hình 2. 7: Nguyên lý của Pin năng lượng mặt trời
Silicon tuy có mức dẫn điện hạn chế nhưng nó có cấu trúc tinh thể rất phù hợp cho việc tạo ra chất bán dẫn. Nguyên tử silicon cần 4 electron để trung hòa điện tích nhưng lớp vỏ bên ngoài một nguyên tử silicon chỉ có một nửa số electron cần thiết nên nó sẽ bám chặt với các nguyên tử khác để tìm cách trung hòa điện tích.
Để tăng độ dẫn điện của silicon, các nhà khoa học đã “tạp chất hóa” nó bằng cách kết hợp nó với các vật liệu khác. Quá trình này được gọi là “doping” và silicon
pha tạp với các tạp chất tạo ra nhiều electron tự do và lỗ trống. Một chất bán dẫn silicon có hai phần, mỗi phần được pha tạp với một loại vật liệu khác. Phần đầu tiên được pha với phốt pho, phốt pho cần 5 electron để trung hòa điện tích và có đủ 5 electron trong vỏ của nó. Khi kết hợp với silicon, một electron sẽ bị dư ra. Electron đặc trưng cho điện tích âm nên phần này sẽ được gọi là silicon loại N (điện cực N). Để tạo ra silicon loại P (điện cực P), các nhà khoa học kết hợp silicon với boron. Boron chỉ cần 3 electron để trung hòa điện tích và khi kết hợp với silicon sẽ tạo ra những lỗ trống cần được lấp đầy bởi electron.
Khi 2 lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch về mật độ các hạt dẫn nên các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang p, lỗ trống khuếch tán ngược lại từ bán dẫn p sang n. Sự khuếch tán này làm cho pần bán dẫn n sát lớp tiếp xúc lúc này hình thành điện trường hướng từ bán dẫn n sang p. Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, cặp điện tử-lỗ trống được tạo thành, bị tách ra dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc và bị gia tốc về phía đối diện tạo thành một sức điện động quang điện. sức điện động quang điện phụ thuộc vào bản chất bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp xúc, bước sóng và cường độ ánh sáng tới.
Một pin mặt trời bao gồm một lớp silicon loại P được đặt bên cạnh một lớp silicon loại N. Ở lớp loại N chứa electron, còn ở lớp loại P thừa lỗ trống mang điện dương (là những chỗ trống do thiếu electron hoá trị). Gần chỗ tiếp giáp của hai lớp, các electron ở một bên của lớp tiếp giáp (lớp loại N) di chuyển vào các lỗ trống ở phía bên kia của lớp tiếp xúc (lớp loại P). Điều này tạo ra một vùng xung quanh đường giao nhau, được gọi là vùng suy giảm, trong đó các điện tử lấp đầy các lỗ trống.
Hình 2. 8: Nguyên lý hoạt động của các nguyên tố trong tấm pin
Khi tất cả các lỗ trống được lấp đầy bởi các điện tử trong vùng suy giảm, thì mặt loại P của vùng suy giảm bây giờ chứa các ion mang điện tích âm và mặt loại N của vùng suy giảm bây giờ chứa các ion mang điện tích dương. Sự có mặt của các ion mang điện trái dấu này tạo ra điện trường bên trong ngăn cản các electron ở lớp N lấp đầy các lỗ trống ở lớp P.
Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào pin mặt trời, các điện tử trong silicon bị đẩy ra, dẫn đến hình thành các "lỗ" (chỗ trống do các điện tử thoát ra để lại). Nếu điều này xảy ra trong điện trường, điện trường sẽ chuyển các electron đến lớp loại N và các lỗ trống đến lớp loại P. Nếu chúng ta nối một một sợi dây kim loại giữa hai lớp, các electron sẽ đi từ lớp loại N sang lớp loại P bằng cách băng qua vùng suy giảm sau đó đi qua dây bên ngoài tạo ra một dòng điện.
Hình 2. 9: Nguyên lý của các photon và silic khi có ánh sáng mặt trời tác động Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:
1. 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.
2. 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 ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không 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.
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 lượng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số 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 có tác dụng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được.
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.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.
Hình 2. 10: Nguyên lý hiện tượng quang điện
Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:
Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn.
Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction). Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời.
Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện.