Năng lượng ánh sáng

Trong một tế bào quang điện trong điển hình, hai lớp bán dẫn silicon pha tạp liên kết sít sao với nhau (xem hình 5). Một lớp được cải biến để có quá số electron tự do (gọi là lớp n), còn lớp kia được điều chỉnh để có quá số lỗ trống (lớp p).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Năng lượng ánh sáng Năng lượng ánh sáng Trong một tế bào quang điện trong điển hình, hai lớp bán dẫn silicon pha tạpliên kết sít sao với nhau (xem hình 5). Một lớp được cải biến để có quá số electrontự do (gọi là lớp n), còn lớp kia được điều chỉnh để có quá số lỗ trống (lớp p). Khihai lớp bán dẫn khác nhau được ghép lại tại một ranh giới chung (gọi là tiếp giápp-n), electron tự do trong lớp n đi vào lớp p nhằm lắp đầy các lỗ trống. Sự kết hợpcủa electron và lỗ trống tại tiếp giáp p-n tạo ra một rào cản ngăn số electron vượtqua tăng thêm. Khi sự thiếu cân bằng điện đạt tới điều kiện cân bằng, một điệntrường ổn định được thiết lập qua ranh giới phân tách hai lớp. Khi ánh sáng có bước sóng (và năng lượng) thích hợp chạm tới tế bào táchlớp và bị hấp thụ, electron được tự do chuyển động về mọi phía. Những electrongần ranh giới (tiếp giáp p-n) có thể băng qua tiếp giáp bởi điện trường cố định. Vìelectron có thể dễ dàng băng qua ranh giới, nhưng không thể quay trở lại theohướng khác (chống lại gradient điện trường) nên sẽ thu được sự bất cân bằng điệntích giữa hai vùng chất bán dẫn. Những electron đi vào lớp n bởi hiệu ứng khu biệthóa của trường ổn định có xu hướng tự nhiên rời khỏi lớp đó để điều chỉnh sự bấtcân bằng điện tích. Tiến về phía này, các electron sẽ đi theo đường đi khác nếu nhưcó đường đi đó. Bằng cách đặt một dòng điện ngoài mà qua đó các electron có thểquay trở lại lớp kia, thì dòng điện sẽ được tạo ra liên tục chừng nào mà ánh sángcòn chạm tới tế bào Mặt Trời. Trong cấu trúc của tế bào quang điện trong, các lớptiếp xúc kim loại được đặt vào mặt ngoài của hai lớp bán dẫn, và cung cấp mộtđường dẫn tới mạch điện ngoài nối hai lớp lại. Kết quả cuối cùng là việc tạo ra côngsuất điện thu được trực tiếp từ năng lượng ánh sáng. Hiệu điện thế tạo ra bởi tế bào Mặt Trời biến thiên theo bước sóng của ánhsáng tới, nhưng những chiếc tế bào tiêu biểu được chế tạo để sử dụng phổ bướcsóng rộng của ánh sáng ban ngày do Mặt Trời cung cấp. Lượng năng lượng tạo rabởi tế bào phụ thuộc vào bước sóng, với những bước sóng dài phát ra ít điện hơnnhững bước sóng ngắn. Vì những tế bào hiện có thường thường tạo ra hiệu điệnthế chỉ khoảng bằng với tế bào đèn flash, nên cần phải ghép hàng trăm, hoặc thậmchí hàng ngàn tế bào lại để tạo ra đủ điện cho những ứng dụng cần thiết. Một số xeô tô chạy bằng năng lượng Mặt Trời đã được chế tạo và đã hoạt động thành công ởtốc độ cao qua việc sử dụng một số lượng lớn các tế bào Mặt Trời. Năm 1981, khícầu Solar Challenger được bọc 16.000 tế bào Mặt Trời, tạo ra công suất hơn 3000watt, đã bay qua eo biển Anh chỉ điều khiển bằng ánh sáng Mặt Trời. Những kìcông gây hứng thú như thế này đã làm tăng thêm việc sử dụng nguồn năng lượngMặt Trời. Tuy nhiên, việc sử dụng các tế bào Mặt Trời vẫn còn trong thời kì chưađủ độ chín, và nguồn năng lượng này vẫn chỉ mới giới hạn trong những dụng cụyêu cầu công suất thấp. Các tế bào quang điện trong hiện nay sử dụng những tiến bộ mới nhất tronglĩnh vực chất bán dẫn silicon pha tạp chuyển hóa trung bình 18% (đạt giá trị lớnnhất vào khoảng 25%) năng lượng ánh sáng tới thành dòng điện, so với 6% đối vớinhững tế bào sản xuất trong thập niên 1950. Ngoài những cải tiến về hiệu suất,người ta cũng nghĩ ra những phương pháp mới để sản xuất những tế bào ít tốnkém hơn so với những tế bào chế tạo từ silicon đơn tinh thể. Những cải tiến nhưthế bao gồm các màng mỏng silicon tăng trưởng trên những bánh xốp silicon đatinh thể ít đắt hơn nhiều. Silicon không kết tinh cũng được thử với một số thànhcông, khi cho bốc hơi các màng silicon mỏng lên chất nền thủy tinh. Những chấtkhác ngoài silicon, như gallium arsenide, cadmium telluride, và đồng indiumdiselenide, đang được nghiên cứu vì những tiềm năng của chúng cho các ứng dụngtế bào Mặt Trời. Gần đây, các màng mỏng titanium dioxide đã được phát triển choviệc chế tạo tế bào quang điện trong tiềm năng. Những màng trong suốt này đặcbiệt hấp dẫn vì chúng cũng có thể thực thi nhiệm vụ kép như những cánh cửa sổ. Năng lượng Mặt Trời thụ động và năng lượng Mặt Trời chủ động Mặc dù các tế bào Mặt Trời chuyển hóa trực tiếp ánh sáng thành năng lượngđiện, nhưng những phương tiện gián tiếp cũng có thể sử dụng ánh sáng để tạo ranăng lượng dưới dạng nhiệt. Những cơ cấu này có thể chia thành hai loại: các hệnăng lượng Mặt Trời thụ động và chủ động. Các hệ thụ động phụ thuộc vào sự hấpthụ nhiệt mà không liên quan tới chuyển động cơ học. Lấy ví dụ, lò Mặt Trời khônggì hơn là một cái hộp cách nhiệt với thủy tinh bao ngoài và bên trong màu đen, cóthể đạt tới nhiệt độ quá 100 độ C dưới ánh sáng Mặt Trời mạnh, trực tiếp. Nhiệt độnày có thể dùng để đun nấu thức ăn, và ở những nước đang phát triển hoặc nhữngkhu vực có nguồn nhiên liệu hạn chế, đây là một công cụ đơn giản có thể mang lạisự cải thiện đáng kể cho chất lượng cuộc sống. Các hệ năng lượng Mặt Trời chủ động thường dựa trên việc sử dụng ánhsáng Mặt Trời để đun nóng một chất lỏng, sau đó dẫn dòng chất lỏng nóng tới mộtkhu vực khác cần đến nó. Những hệ nước nóng quy mô nhỏ đáp ứng được nhu cầunước tắm và giặt giũ ở một nơi trên thế giới. Những dụng cụ đơn giản cấu tạo gồmống dẫn nước màu đen kẹp giữa các đĩa thủy tinh, và được cách nhiệt để gom gópcàng nhiều nhiệt càng tốt. Các hệ chủ động quy mô lớn sử dụng các tia gương đểhội tụ ánh sáng vào một máy thu trung tâm, có thể là một nồi đun tạo ra hơi nướclàm quay tuabin. Những trạm phát điện Mặt Trời sử dụng vài trăm, hoặc vài ngànchiếc gương parabol có thể tạo ra đủ hơi nước từ dòng nước bơm qua máy thu đểphát ra hàng chục megawatt điện trong hàng giờ liền vào ban ngày có nắng. Sự chuyển hóa năng lượng Mặt Trời thành nhiên liệu cháy – Hydrogen Mặc dù năng lượng Mặt Trời tồn tại thuộc dạng nguồn vô tận, có sẵn, khôngphải mua bán (và không độc), nhưng sự chuyển hóa năng lượng ánh sáng từ MặtTrời có liên quan tới hàng loạt vấn đề giới hạn kh ...