Chương 1. PIN MẶT TRỜI – PIN MẶT TRỜI LAI HÓA
1.3 PMT dựa trên vật liệu lai hóa
1.3.2 Cơ chế hoạt động trong PMT lai hóa
Điện tử-lỗ trống được sinh ra trong quá trình hấp thu ánh sáng của lớp polymer sẽ khuếch tán trong miền polymer, do diện tích tiếp xúc của lớp hữu cơ và lớp nanorod cao nên điện tử-lỗ trống sẽ truyền dẫn qua lớp nanorod bằng cơ chế chuyển mức. Đây chính là lớp đệm để bắt điện tử ngăn chặn sự tái hợp của các exciton, điện tử tiếp tục được truyền dẫn sang lớp điện cực ITO, còn lỗ trống sẽ được truyền sang lớp điện cực Al. Do sự chênh lệch thế giữa điện cực ITO và lớp Al, điện tử lỗ trống sẽ tạo ra dòng, đó chính là dòng điện ngoài của PMT [10, 14].
Trên hình (1.7) mô tả cơ chế hoạt động của PMT lai hóa theo mức năng lượng.
Hình 1.7: Mô hình mức năng lượng và cơ chế chuyển điện tích trong PMT lai hóa
1.4 Các thông số đặc trƣng của PMT
Dòng đoản mạch (Jcs)
Dòng đoản mạch là dòng của hạt tải thiểu số bên trong PMT, hay là dòng quang điện và được tính theo công thức (1.9).
dE E QE E b q
JCS s( ) ( ) (1.10)
Luận văn thạc sĩ Vật lý.
Trong đó: Jsc là mật độ dòng đoản mạch, q là điện tích nguyên tố, bs(E) là mật độ quang thông của ánh sáng kích thích, QE(E) là hiệu suất lượng tử của PMT đó là xác suất mà một photon chiếu tới có khả năng sinh ra một electron cho mạch ngoài, dE là năng lượng của photon kích thích tính trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian. Jsc là thông số quyết định hiệu suất của PMT [2,4].
Dòng tối (Jt)
Nối PMT với mạch ngoài có tải, khi không chiếu sáng vẫn có một sự chênh lệch rất nhỏ về điện tích ở hai đầu PMT, do có một số lượng nhỏ hạt tải được sinh ra do chuyển động nhiệt, điều này tạo ra ở mạch ngoài một dòng điện gọi là dòng tối (Jt). Mật độ dòng tối được tính theo công thức:
) 1 (
)
( 0 ekBT
qv
t v J e
J (1.11)
Trong đó: J0 là hằng số, V là thế ra của PMT, kB là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối.
Ta thấy dòng tối ngược chiều với dòng đoản mạch, do đó ta đưa vào giá trị mật độ tổng cộng J và được xác định như sau:
) 1
0(
ekBT
qv SC
t
sc J J J e
J
J (1.12)
Thế mạch hở (Voc)
Khi nối PMT với mạch ngoài (có tải) và chiếu sáng PMT, sự chênh lệch nồng độ hạt tải rất lớn ở hai đầu của PMT (điện tử phía n và lỗ trống phía p) sẽ làm cho thế ra V tăng lên dần. Khi thế V đạt cực đại, người ta gọi nó là thế mạch hở, ký hiệu là Voc và được xác định theo công thức:
ln 1
J0
J q
Voc kT sc (1.13)
Khi V=Voc, dựa vào (1.12) ta có:
ln 1
J0
J q V kT
V oc sc (1.14)
Thế (1.14) vào (1.11) ta được:
Luận văn thạc sĩ Vật lý.
) 1 (
) (
1 0
0
J
J t
SC
e J v
J (1.15)
Từ (1.15) ta rút ra kết luận: Khi V = Voc thì Jsc = Jt, suy ra mật độ dòng tổng cộng J = Jsc – Jt = 0. Lúc này mạch ngoài không còn dòng hạt tải nào, điều này giống như việc ta áp PMT vào một mạch điện bị hở và đo thế ra của PMT.
Công suất và hiệu suất của PMT
Công suất của PMT được xác định theo công thức:
P =J .V (1.16)
Trong đó: J nhận giá trị từ 0 đến Jsc, V nhận các giá trị từ 0 đến Voc.
Khi J = 0, ta có V=Voc và khi V = 0 ta có J = Jsc. Tại hai giá trị này ta có P = 0.
Biểu diễn P trên đặc tuyến I - V của PMT như hình (1.8).
Hình 1.8: Đặc tuyến I-V của PMT.
Ta thấy tại giá trị P(JMP, VMP) là điểm uốn của đặc tuyến I – V hay là điểm cực trị, trong trường hợp này thì P đạt cực đại, điểm này được gọi là điểm công suất cực đại (Maximum power point-MPP) [2,4].
Pm = JmpVmp = FFJscVoc (1.17)
Hiệu suất của PMT, ký hiệu là η = Pm / Ps, được tính theo công thức:
s sc oc
P FF J
V
(1.18)
Luận văn thạc sĩ Vật lý.
Trong đó: Ps là công suất của ánh sáng tới. FF (Fill Factor) là thừa số lấp đầy, được định nghĩa là:
oc sc
mp mp
V J
V
FF J (1.19)
Trong các thông số làm việc của PMT, bốn thông số quan trọng quyết định nên tính chất của một PMT là: dòng đoản mạch Jsc, thế mạch hở Voc, thừa số lấp đầy FF, hiệu suất η. Ngoài những thông số về kỹ thuật ở trên thì yếu tố kính tế, điều kiện môi trường cũng được quan tâm trong chế tạo PMT.