Nguyên lý họat động

Chương 1 Tổng quan pin mặt trời đơn tinh thể

1.3 Nguyên lý họat động

Sự hấp thụ photon của bán dẫn được nêu ở mục 1.2.2.1 tạo ra hạt tải dư (điện tử và lỗ trống). Khi đó nồng độ điện tử và lỗ trống lớn hơn giá trị cân bằng nhiệt của chúng là n   n 0  n và p  p 0   p , với  n và  p là nồng độ hạt tải dư ( np  n p 0 0  n i 2 ). Như vậy, nguồn photon ánh sáng đóng vai trò như nguồn bơm hạt tải dư và nhờ tính chất điện trường vùng nghèo của tiếp xúc p-n đã đề cập ở mục 1.2.5 phân tách electron di chuyển về phía bán dẫn n và lỗ trống di chuyển về phía bán dẫn p khi chúng tiến tới vùng này. Do đó cấu trúc của tế bào quang điện như Hình 1-2 đóng vai trò là một nguồn điện khi được được chiếu sáng.

Nhưng nếu vẫn chiếu sáng và không nối với mạch ngoài, sự tạo ra hạt tải dư do hấp thụ quang thì nồng độ electron ở bán dẫn n và lỗ trống ở bán dẫn p sẽ tăng lên. Điều này dẫn tới hình thành một điện trường mới ngược chiều với điện trường vốn hình thành ở vùng nghèo, làm cho điện trường tổng cộng giảm xuống. Điện trường vùng nghèo là rào cản với dòng khuyếch tán, thì sự giảm điện trường khi này làm tăng dòng khuyếch tán. Như thế, điều kiện cân bằng mới ( J n p drif /   J n p diff /  ) xuất hiện đồng thời với sự xuất hiện hiệu điện thế ở hai đầu bán dẫn p và n (Hình 1-10a) gọi là thế hở mạch V OC .

Khi ta chiếu sáng tế bào quang điện, và nối tắt mạch ngoài, thì dòng điện ngắn mạch I SC thu được chính là dòng quang điện I L (Hình 1-10b)

Hình 1-10: Dòng hạt tải trong tế bào quang điện ở điều kiện a) Chiếu sáng hở mạch, b) Chiếu sáng ngắn mạch[13]

Sự hấp thụ photon tạo ra hạt tải dư để tạo thành dòng quang điện có thể xảy ra ở các vị trí khác nhau trong khối bán dẫn của tế bào quang điện như ở cực phát (emitter) là bán dẫn n thu được dòng J E ( )  , ở vùng nghèo là dòng J SCR ( )  , ở cực nền là J B ( )  .

Thì dòng quang điện thu được là tổng hợp của các dòng này [10] (Hình 1-11). Với vật liệu có hệ số hấp thụ photon ứng với sóng bước sóng  (xem Hình 1-4), và mật độ dòng năng lượng photon tới I 0  ( W m / 2 ) (xem Hình 3-5), thì nồng độ hạt tải dư được xác định  n  g '  , là thời gian sống hạt hải dư, với tốc độ sinh là

  3 1

( ) 0 1 ( )

G x R cm s

hc I e



 





 

   , với R  là hệ số phản xạ tại bước sóng  [1,9,12].Các hạt tải dư tạo thành khi đó có thể góp phần vào dòng quang điện J L với xác suất

( )

CP x phụ thuộc vào vị trí và bước sóng [13]. Do đó, mật độ dòng quang điện được xác định bởi

 

0 0

( ). ( ) 0 1 . ( )

d d

W W

J q G x CP x dx q R CP x d dx

hc I e



 

 



    

      

 

 

   (1.15)

trong đó W d là bề dày diode, q là điện tích hạt tải. Theo mô hình diode lý tưởng và bỏ qua sự tái hợp vùng nghèo, dòng quang điện có thể được xác định

( )

L n p

J  qG L  L  W [10], với L n  D n n  là độ dài khuyếch tán của điện tử, tương tự với L p  D p  p , D n và D p là hệ số khuyếch tán,   n , p là thời gian sống.

Hình 1-11: Sự thu hạt tải cho dòng quang điện [10]

Xác suất thu hạt tải CP(x) phụ thuộc vào độ dài khuyếch tán L n & L p , và tốc độ tái hợp bề mặt (mặt trước và sau) n D d n ( n ) ( / )

S cm s

n dx



   , p D d p ( p ) ( / )

S cm s

p dx



   [10].

Với những hạt tải (electron – lỗ trống) được sinh ra tại vùng nghèo thì xác xuất thu các hạt tải này là một, do điện trường tại đó có tác dụng tách các hạt này và đưa chúng ra khỏi vùng nghèo. Càng tiến xa vùng nghèo thì xác suất càng giảm nhanh và thấp nhất tại bề mặt (mặt trước và mặt sau) do sự tái hợp bề mặt. Các hạt tải càng tạo gần bề mặt thì xác suất tái hợp càng cao hay xác suất thu hạt tải càng thấp. Khi độ dài khuyếch tán tăng thì xác suất thu hạt tải tăng nhanh (xem Hình 1-12).

(LUAN.van.THAC.si).nghien.cuu.va.che.tao.mang.chong.phan.xa.bang.vat.lieu.si3nx.siox.dung.cho.pin.nang.luong.mat.troi(LUAN.van.THAC.si).nghien.cuu.va.che.tao.mang.chong.phan.xa.bang.vat.lieu.si3nx.siox.dung.cho.pin.nang.luong.mat.troi(LUAN.van.THAC.si).nghien.cuu.va.che.tao.mang.chong.phan.xa.bang.vat.lieu.si3nx.siox.dung.cho.pin.nang.luong.mat.troi(LUAN.van.THAC.si).nghien.cuu.va.che.tao.mang.chong.phan.xa.bang.vat.lieu.si3nx.siox.dung.cho.pin.nang.luong.mat.troi

Hình 1-12: Giá trị tính toán xác suất thu hạt tải phụ thuộc a) độ dài khuyếch tán b)tốc độ tái hợp bề mặt, L p là độ dài khuyếch tán hạt thiểu số, S là tốc độ tái hợp hạt tải tại bề mặt[13].

1.3.2 Đặc tuyến J-V

Hiệu suất chuyển hoán quang năng thành điện năng là thông số quan trọng của tế bào quang điện. Thông số này nhận được khi ta có khảo sát đặc tuyến J-V của tế bào quang điện như Hình 1-13

Khi chưa chiếu sáng, tức I L  0 , đặc tuyến J-V tương tự như diode tiếp xúc p-n. Khi tăng dần V A , ban đầu J tăng chậm và có giá trị nhỏ gần giá trị J 0 . Khi chiếu sáng, dòng quang điện xuất hiện, tức I L  0 , thì dòng điện qua tế bào quang điện khi đó là dòng tổng cộng của dòng diod (mục 1.2.5.2) và dòng quang điện (mục 1.3.1) :

 / 

0 V V A T 1 L

J  J e   J (1.16)

Do đó đặc tuyến J-V dịch tịnh tiến theo chiều âm trục J một đoạn bằng J L như Hình 1-13. Dòng điện và mật độ dòng tỉ lệ với nhau bởi hệ số là diện tích tiết diện nên phương trình dòng điện của tế bào quang điện cũng có dạng (1.16).

Hình 1-13: Đặc tuyến J-V của tế bào quang điện lý tưởng

Do đó, các phát biểu của hai đại lượng này là như nhau. Từ đặc tuyến này ta có các thông số quan trọng của tế bào quang điện là dòng ngắn mạch J SC , thế hở mạch V OC , công suất cực đại P max , hiệu suất  , hệ số lấp đầy FF để đánh giá các đặc tính của tế bào quang điện.

1.3.2.1 Dòng ngắn mạch

Dòng ngắn mặch I SC (short circuit current) là dòng tại điện áp không V A  0 nên từ

(1.16) ta có: I SC   I L (1.17)

Như thế, từ đặc tuyến J-V ta có thể ước lượng giá trị của dòng quang điện (do sự tồn tải điện trở trong tế bào quang điện)

1.3.2.2 Thế hở mạch

Điện áp hở mạch ( open circuit voltage) là khi chiếu sáng tế bào nhưng không nối mạch ngoài, tức I=0 từ (1.16) ta có :

0 0

( 0) T ln L 1 T ln L

OC A

I I

V V I V V

I I

 

 

 

     (1.18)

Với dòng bão hòa ngược I 0 (dòng tối) nhỏ ta có thể coi

0 0

ln ln

SC L

T T

V V I V

I  I

 .

Do sự tỉ lệ giữa V OC và I SC I 0 nên với mong muốn có dòng bão hòa nhỏ (xem mục 1.2.5.2) ta cần có V OC lớn. Để có dòng I 0 nhỏ thì theo ghi chú công thức (1.14) ta cần có độ dài khuyếch tán hạt thiểu số lớn, nồng độ pha tạp lớn [10].

1.3.2.3 Công suất cực đại

Công suất tiêu tán ra tải mạch ngoài là : P  V I A  I V 0 A  e V A / V T   1  I V L A (1.19)

Công suất cực đại tại dP dV / A  0 . Tương ứng tại điểm công suất cực đại là dòng

 /  0 /

0 V m V T 1 L m V m V T 0

T A

dP I V

I e I e

dV     V  (1.20)

Từ (1.18), (1.19), (1.20) ta tìm được :

ln 1 m OC T m

m m m L oc T L

T m

V V V E

P I V I V V I

V V q

   

                  (1.21)

Trong đó : m oc T ln 1 m OC T

T m

V V V

E q V V

V V

   

              là năng lượng của một photon được chuyển thành điện năng tại điểm công suất cực đại [23]. Để thuận tiện quan sát, ta có thể sử dụng bảng tính excel để tính, và đảo trục để có giá trị dòng điện dương và đặc tuyến J-V như Hình 1-13 có thể có dạng như Hình 1-14 (Số liệu chỉ mang tính minh họa), và qua đó là khớp hàm (fitting) để ước lượng dòng tối.

Hình 1-14: Xác định công suất cực đại

1.3.2.4 Hệ số lấp đầy

Hệ số lấp đầy (fill factor) được xác định bởi .

m m

sc oc

FF I V

 I V (1.22)

1.3.2.5 Hiệu suất

Hiệu suất của tế bào quang điện được xác định bằng tỉ số giữa . .

m 100% sc oc

in in

P I V FF

P P

   (1.23)

P in là năng lượng ánh sáng tới trong đơn vị thời gian. Để tăng hiệu suất chuyển hoán năng lượng này, ta cần có tử số (1.23) cực đại. Trong luận văn này tập trung vào việc giảm thất thoát photon do phản xạ tức là tăng tốc độ sinh hạt tải dẫn đến tăng dòng quang điện cũng như thế hở mạch dẫn đến tăng hiệu suất chuyển hoán.

P m

V m

I m

Chương 2

Tổng quan về sóng ánh sáng