Tương tự như pin photovoltaic chất rắn, pin photovoltaic điện húa làm
việc trờn cơ sở hiệu ứng quang điện húa của lớp chuyển tiếp tiếp bỏn dẫn⏐dung dịch, cho phộp biến đổi trực tiếp năng lượng ỏnh sỏng hấp thụ được từ vựng nhỡn thấy của phổ mặt trời để thành điện năng.
Sơ đồ cấu tạo của một pin mặt trời quang điện húa là một hệ gồm 2 nửa pin, một trong 2 nửa pin là điện cực bỏn dẫn (n hoặc p), nửa pin kia là
kim loại (Pt). Dung dịch redox là chung cho 2 khu vực điện cực được
chọn sao cho cú EF,ređox thớch hợp:
(–) bỏn dẫn n hν Redox⏐Pt (+) (i) hoặc (+) bỏn dẫn p hν Redox⏐Pt (–) (ii) Cực tớnh của pin phụ thuộc vào bản chất của loại bỏn dẫn. Khi chiếu sỏng bỏn dẫn n của pin (i) hoạt động là anot, cũn bỏn dẫn p của pin (ii) lại là catot, do đú điện cực kim loại Pt phõn cực phụ thuộc theo. Hỡnh II.40 trỡnh bày cấu tạo hoạt động của pin mặt trời quang điện húa. Cỏc pin quang điện húa này cú cấu tạo kiểu Schottky. Về nguyờn tắc cú thể cấu tạo một pin quang điện húa gồm 2 nửa pin đều là vật liệu bỏn dẫn, anot là bỏn dẫn n và catot là bỏn dẫn p. Dung dịch redox ở giữa tạo ra một lớp chuyển tiếp lỏng giữa bỏn dẫn n và p. Hoạt động của pin quang điện húa p-n tương tự như một điot p-n, cho nờn cũng cũn gọi là điot quang điện húa.
Hỡnh II.41.a và b minh họa nguyờn lý làm việc của pin dạng (i) trờn cơ sở của cấu trỳc vựng năng lượng khi cũn trong tối (hỡnh a) và sau đú được chiếu sỏng với mức năng lượng hν = Eg(n) (hỡnh b). Thật vậy, khi chiếu sỏng:
Bỏn dẫn n + hν
hν≥ Eg(n) e– + h+
Dưới tỏc dụng của điện trường, lỗ trống h+ vận chuyển ra bề mặt bỏn dẫn để tham gia phản ứng oxi húa với Red (quỏ trỡnh anot):
Red + h+ OxBán dẫn n + e-
Cũn điện tử e– vận chuyển vào trong pha, qua mạch ngoài tiờu thụ
năng lượng kớch hoạt trờn tải, về điện cực Pt để thực hiện phản ứng khử với Ox+ ( quỏ trỡnh catot):
Ox+ + e- RedPt e-
Bao nhiều chất Red bị tiờu hao trong quỏ trỡnh anot, được tỏi sinh trở
lại trong quỏ trỡnh catot. Cặp redox được bảo toàn, do đú biến thiờn năng lượng tự do ΔG = 0. Năng lượng ỏnh sỏng hν biến thành năng lượng điện Iph.ΔΦ*, trong đú ΔΦ* là quang điện thế, chớnh là sức điện động của nguồn điện; Iph là dũng quang điện chạy qua mạch ngoài.
Như ta biết từ (II.46) ΔΦ* và cường độ chiếu sỏng Iλ quan hệ tỷ lệ với nhau: ΔΦ* ∝
e kT
ln Iλ
Cường độ chiếu sỏng Iλ càng tăng thỡ sức điện động của nguồn điện ΔΦ* càng lớn và đối với một hệ thống chuyển húa năng lượng mặt trời thành điện năng thỡ mục tiờu là phải đạt được cụng suất tối đa vỡ:
Pmax = Iph . ΔΦ* (II.50) Tuy nhiờn cụng suất thực tế của một pin quang điện húa là một đại lượng được xỏc định từ đặc
tuyến “Iph – ΔΦ*” (Hỡnh II.42).
Giỏ trị cực đại của tớch (Iph ìΔΦ*) sẽ là một giỏ trị nằm giữa cỏc cực
trịởđiều kiện hở mạch (Iph = 0, ΔΦ* = max) và ngắn mạch (Iph = max,
HỡnhII.40. Pin quang điện húa n (a) và p (b).
Hỡnh II.41: Nguyờn lý làm việc của pin quang điện húa (n) (a) trong tối (b) chiếu sỏng và nối mạch.
E0
Hỡnh II.42.Đồ thị Iph – ΔΦ*
Hiệu suất lượng tử của một pin quang điện húa được xỏc định bởi hệ thức: η = ) h ( N ) e ( N ν ì100 %
Trong đú N(e) = số electron được kớch hoạt chạy qua mạch ngoài;
N(hν)=số photon tới cú năng lượng hν. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong thực tế, người ta quan tõm tới hiệu suất chuyển húa năng lượng, được xỏc định bởi hệ thức:
(I ìΔΦ*)max
η = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ (II.51)
cụng suất bức xạ
Hiệu suất η = max cũng đạt được tại vị trớ Pmax trờn đồ thị II.42. Bảng II.3 trỡnh bày một vài pin mặt trời quang điện húa điển hỡnh được nghiờn cứu thành cụng trong điều kiện phũng thớ nghiệm (vật liệu bỏn dẫn là đơn tinh; ỏnh sỏng là đơn sắc λg =
E 1240
g
; chưa chỳ ý đến độ bền làm việc dài ngày của hệ thống v.v..). Kết quả cho thấy hiệu suất chuyển húa năng lượng đạt được cao nhất mới là 12% ở trường hợp vật liệu GaAs,
như vậy núi chung cũn thấp hơn pin mặt trời chất rắn cựng loại (η ≈ 20...23%).
Bảng II.3.Một vài pin mặt trời quang điện húa đại diện.
Điện cực bỏn dẫn Hệ redox Hiệu suất
chuyển húa
Dung lượng As.cm-2
n-GaAs (đơn tinh) p-InP n-Wse2 n-MoSe2 n-CdSe2 n-CdSe0,65 Te0,35 n-GaAs (đa tinh) 1MK2Se + 0,01 M K2Se2 + 1M KOH 0,3M V3+ + 0,05 M V2+ + 3M HCl 1M KI + 0,01 M KI3 1M KI + 0,01 M KI3 1M Na2S2 + 1 M NaOH 1M Na2S2 + 1 M NaOH 1M K2Se + 0,1 M K2Se2+1M KOH 12,0 % 11,5 % 10,2 % 9,4 % 7,5 % 7,9 % 7,8 % 35.103 27.103 400.103 50.103 20.103
Bảng II.4.So sỏnh giữa pin photovoltaic chất rắn và điện húa.
Pin photovoltaic chất rắn Pin photovoltaic điện húa • Hiệu ứng của lớp chuyển
tiếp p-n
• Hiệu ứng của lớp chuyển tiếp bỏn dẫn (p,n)/dung dịch redox.
• Vật liệu sử dụng đơn tinh, đa tinh (giỏ thành chế
tạo chiếm 30%)
• Vật liệu sử dụng đa dạng: đơn tinh, đa tinh, vụ
định hỡnh; gốm màng mỏng, lớp phủđiện húa... (cú triển vọng phỏt triển cụng nghệ chế tạo đơn giản).
• Cụng nghệ chế tạo lớp chuyển tiếp phức tạp (giỏ thành chiếm 30%)
• Lớp chuyển tiếp hỡnh thành tự nhiờn khi bỏn dẫn tiếp xỳc với dung dịch. • Tương đối bền với thời gian (nhiều năm). • Bị ăn mũn quang học, suy giảm hiệu suất chuyển húa. Cần phải cú biện phỏp đặc biệt chống ăn mũn quang học. • Đó thương mại húa và sản phẩm được liờn tục cải tiến về hiệu suất chuyển
húa (vượt qua 22%) và
giảm giỏ thành trờn đơn vị
Wp.
• Từ những năm 90 đó cú pin photovoltaic điện húa dạng chế thử kiểu graetzel, hiệu suất làm việc dài ngày ~ 10%. Ngoài ra cũn cỏc mẫu chế
thử của Viện Weizmann (Israel); Bell Labs và MIT (Mỹ).
Những pin photovoltaic điện húa đạt hiệu suất chuyển húa năng lượng tương đối cao cho đến nay đều sử dụng cỏc vật liệu điện cực bỏn dẫn từ họ chalcogenua của kim loại chuyển tiếp (Mo, W). Đặc điểm của những vật liệu này là cú cấu trỳc lớp, liờn kết trong một lớp là liờn kết đồng húa trị (orbital d của kim loại chuyển tiếp vừa nằm ở vựng húa trị vừa nằm ở vựng dẫn) cũn liờn kết giữa cỏc lớp là liờn kết Van der Waals. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Quỏ trỡnh chuyển vựng của điện tử dưới tỏc dụng bức xạ là quỏ trỡnh
chuyển d-d electron (xem hỡnh II.10 và II.11), do đú khụng làm yếu liờn
kết giữa nguyờn tử kim loại và chalcogen và khụng bị phỏ hủy quang học.
Bảng II.4 so sỏnh chỗđứng hiện nay của pin photovoltaic chất rắn và
pin photovoltaic điện húa trờn cơ sởđỏnh giỏ bản chất, ưu nhược điểm.