NGuyên tắc hoạt động của pin quang điện

Nhiên liệu hóa thạch theo tính toán của các nhà khoa học và môi trường học sẽ cạn kiệt trong vòng 50 năm nữa nếu cứ sử dụng với tốc độ hiện nay.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
NGuyên tắc hoạt động của pin quang điện NGuyên tắc hoạt động của pin quang điện Nhiên liệu hóa thạch theo tính toán của các nhà khoa học và môitrường học sẽ cạn kiệt trong vòng 50 năm nữa nếu cứ sử dụng với tốc độhiện nay. Việc tìm năng lượng thay thế là bài toán cấp bách của toàn nhânloại . Có ý kiến cho rằng điện hạt nhân là một giải pháp, nhưng với mức độ antoàn và bản chất của quá trình không thuận nghịch của phản ứng hạt nhânkhông cho ta kết quả như mong đợi . Năng lượng mặt trời xét về lâu dài mới là giải pháp cho tương lai. Một trongcác nguyên nhân khác của việc sử dụng năng lượng mặt trời đó là do tính sạch củanó về mặt môi trường. Trong quá trình sử dụng nó không sinh ra khí nhà kính haygây ra các hiệu ứng tiêu cực tới khí hậu toàn cầu. Việc dạy học gắn với nội dungnày nhằm giáo dục ý thức môi trường và sự chuẩn bị hành trang cho chủ nhântương lai là cần thiết và phù hợp . Có 2 cách chính sử dụng năng lượng mặt trời- Sử dụng dưới dạng nhiệt năng : lò hấp thụ mặt trời, nhà kính...- Sử dụng thông qua sự chuyển hoá thành điện năng: Hệ thống pin mặt trờiCâu hỏi đặt ra là pin mặt trời hoạt động thế nàoPin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn ( thường gọilà hiệu ứng quang điện trong - quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánhsáng mặt trời. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinhthể. Để hiểu về nguyên lý làm việc của pin mặt trời loại này chúng ta cần biết mộtvài đặc điểm của chất bán dẫn Silic.Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2 . Các điện tửcủa nó được sắp xếp vào 3 lớp vỏ. 2 lớp vỏ bên trong được xếp đầy bởi 10 điện tử.Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được lấp đầy 1 nửa với 4 điện tử 3s23p2. Điềunày làm nguyên tử Si có xu hướng dùng chung các điện tử của nó với các nguyên tửSi khác. Trong cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lâncận để lớp vỏ ngoài cùng có chung 8 điện tử (bền vững).Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữbởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Chỉ trong điều kiện kích thích quang, haynhiệt làm các điện tử bị bứt ra khỏi hiên kết, hay nói theo ngôn ngữ vùng nănglượng là các điện tử (tích điện âm) nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùnghóa trị 1 lỗ trống (tích điện dương), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện.Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạp chất vàotrong đó. Trước tiên ta xem xét trường hợp tạp chất là nguyên tử phospho (P) vớitỷ lệ khoảng một phần triệu. P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kếttrong tinh thể Si sẽ dư ra 1 điện tử. Điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệtcó thể bứt khỏi liên kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể.Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N(Negative) vì có tính chất dẫn điện bằng các điện tử tự do. Ngược lại, nếu chúng tapha tạp tinh thể Si bằng các nguyên tử Boron (B) chỉ có 3 điện tử ở lớp vỏ, chúng tasẽ có chất bán dẫn loại P (Positive) có tính chất dẫn điện chủ yếu bằng các lỗtrống.Điều gì sẽ xảy ra khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau. Khi đó, các điệntử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại N sẽ sẽ khuyếch tán từ bán dẫn loạiN -> bán dẫn loại P và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn loại P này.Liệu các điện tử tự do của bán dẫn N có bị chạy hết sang bán dẫn P hay không? Câutrả lời là không. Vì khi các điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mấtđiện tử và tích điện dương, ngược lại bán dẫn P tích điện âm. Ở bề mặt tiếp xúc của2 chất bán dẫn bây giờ tích điện trái ngược và xuất hiện 1 điện trường hướng từbán dẫn N sang P ngăn cản dòng điện tử chạy từ bán dẫn N sang P. Và trongkhoảng tạo bởi điện trường này hầu như không có e hay lỗ trống tự do .Thiết bị mà chúng ta vừa mô tả ở trên chính là 1 đi ốt bán dẫn. Điện trường tạo raở bề mặt tiếp xúc làm nó chỉ cho phép dòng điện tử chạy theo 1 chiều, ở đây là từbán dẫn loại P sang bán dẫn loại N, dòng điện tử sẽ không được phép chạy theohướng ngược lại. Để lí giải vì sao bạn có thể liên hệ một cách đơn giản đến phầntĩnh điện.Pin quang điện không phải cái gì khác chính là một điốt bán dẫn có diện tích bềmặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua. Khi chiếu ánh sángvào pin quang điện một phần sẽ bị phản xạ ( và do đó trên bề mặt pin quang điệncó một lớp chống phản xạ ) và một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp N. Một phầnmay mắn hơn đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp e và lỗ trống nằm trongđiện trường của bề mặt giới hạn p-n. Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho emột năng lượng đủ lớn để bật khỏi liên kết. Sẽ không thể có chuyện gì nếu khôngcó điện trường nhỏ tạo bởi lớp chuyển tiếp. Đó là lí do giải thích vì sao nếu ta chiếuánh sáng vào một vật bán dẫn thì không thể sinh ra dòng điện .Nhưng cặp e và lỗ trống này nằm trong tác dụng của điện trường do đó e sẽ bị kéovề phía bán dẫn loại n còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại p.kết quả là nếu tanối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n và p sẽ đo được một hiệu điện thế. Giá trịhiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chấp đượchấp phụ . Với Si ( B;P) thì giá trị này ở khoảng 0,6V.Ánh sáng mặt trời cung cấp cho chúng ta khoảng 1 kilowatt/m2 ( Chính xác là 1,34KW/m2: Đây chính là hằng số mặt trời) , tuy nhiên các hiệu suất chuyển thànhđiện năng của các pin mặt trời chỉ vào khoảng 8% đến 12%. Tại sao lại ít vậy. Câutrả lời là ánh sáng mặt trời có phổ tần số khá rộng. Không phải tần số nào cũng cóđủ năng lượng để kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Chỉ có nhữngphoton năng lượng cao hơn khe vùng bán dẫn mới làm được điều này. Đối với bándẫn Si khe vùng vào khoảng 1.1eV. Các photon năng lượng thấp hơn sẽ không sửdụng được. Nếu photon có năng lượng cao hơn khe vùng thì phần năng lượng dưđó cũng không có đóng góp gì thêm. Vậ ...