Tế bào quang điện pdf

Tế bào quang điện
Tế bào quang điện, hay còn gọi pin mặt trời, được chế tạo sao cho ánh
sáng mặt trời chiếu vào sẽ chuyển đổi thành điện năng.
Pin mặt trời hoạt động theo một nguyên lý đơn giản, gọi là hiệu ứng quang
điện (photoelectric effect), theo đó các hạt tích điện sẽ được giải phóng ra
khỏi vật liệu khi hấp thụ năng lượng mặt trời.
Nguyên lý này đượcsử dụng trong tế bào quangđiện để chuyển đổiquang
năng thành điện năng. Tuy nhiên,năng suất nănglượng từ mỗi pinquang điệnrất
thấpvà phải dùng nhiều pin để tạo ra được một dòngđiện vừa phải.
Tổnghiệu suất của các pinnày khá thấp, chỉ từ 10-15% lượngánhsáng mặt
trời chiếu vào pinđược chuyểnđổithành điện. Các nhà khoahọc đã tạo racác
bướcđộtphátrong côngnghệ quang điện. Năm 2003, các nhà nghiêncứu ở
Californiacông bố đã phát triển được các tế bào quang điện có khả năng chuyển
đổi 36,9%năng lượngmặt trời thành điệnnăng. Điều này có thể so sánh với các
nhà máy chạy bằngnhiên liệuhóa thạch với hiệu suất 34%.
Các tiến bộ như thế đã giúp mở racánh cửa cho việc ứng dụng rộngrãinăng
lượng mặt trời. Nhiều ngườihyvọng rằng những bước độtphá khácvề mặt công
nghệ sẽ giatănghiệu suất của pinquangđiệnvàlàm giảm chiphí chế tạovà vận
hành. Hiện nay,điện năng tạo ratừ các nhà máy năng lượng mặt trời có giá thành
gấptừ 3 đến5 lần sovớiđiện năngtạo ra bởi các nhà máy chạy bằng nhiên liệu
hóa thạch.
Pin mặt trời đã đượcsử dụng rộngrãi trong các công việc thám hiểmkhông
gian vàthường được lắp đặt trên các con tàu vũ trụ và vệ tinhnhân tạo để cung
cấp điện năng cho nhiều hoạt động khác nhau. Đa số các vệ tinh truyềnthông đều
có trangbị pin mặt trờiđể cung cấp mộtphần nhucầuvề điệncho các vệ tinh này.
Trở lại với tráiđất, một trong nhữngứng dụng phổ biến nhất của pinmặt
trời là cấp điện chocác loại máy tínhbỏ túi. Nhưngcác pinmặt trời cỡ lớncũng
dùngcho các ứng dụngthương mại. HoaKỳ, Nhật Bản,Thái Lan, Ấn Độ và nhiều
nước khác đang tìmkiếm nhữngphươngcách để khaithác các tiamặt trời nhằm
sản xuất điện.
Ở Israel có nhữngkế hoạch xây dựng nhà áyđiện mặttrời lớn nhất thế giới.

Theo kế hoạch, khi được hoàn thành vào năm 2012, nhà máynày sẽ cungcấp 5%
điện năngtoàn quốcgia.
Theo Viện Worldwatchở Washington D.C.,sản lượng hàng năm của các nhà
máy năng lượng mặt trời tăng 150% giữa các năm 2000 và 2003.Chỉ riêng năm
2002, công nghiệp điệnmặt trời ở Hoa Kỳ tăng trưởngrất đáng kể, khoảng60%,
và thu được 500triệu đô la.
Các electronlang thang.Đễ hiểu rõ hoạt động của các pin quangđiện,cần
phải xemxét chúngở mức độ nguyên tử.Mỗi pinđượccấu tạo bằngmột lớp mỏng
silic tinh khiết và sẽ có các tạp chất nào đó đượccho thêm vào.
Mỗinguyên tử silic có các electron- làcác hạtmangđiện âm - quayquanh
hạt nhân, haylà tâm nguyên tử,trong nhiều lớp vỏ đồngtâm, còn gọilà các lớp
khônggian. Cácnguyên tử kếthợp với một nguyên tử khácthôngqua các hoạt
độngcủacác electrontạo nênlớp vỏ ngoàicùng của nguyên tử. Ví dụ, nguyêntử
silic có bốn electron ở lớp vỏ ngoài cùng. Trong tinh thể silic, mỗinguyên tử
thường kết hợpvới bốn nguyên tử lân cận thông quabốn electronngoài cùng.
Nếu một electronbị bứt ra khỏi nguyên tử silic do tác động củangoại lực
như ánh sáng, nhiệt hoặcđiện năng,electron này sẽ chuyển động tự do trong tinh
thể đồngthời để lại mộtlỗ trống trongmạng tinh thể. Lỗ trống này cư xử như một
điện tíchdương.
Mỗilần cómộtelectroncủa một nguyêntử lân cận di chuyểnvào lỗ trống thì
đồngthời electronnày cũngtạo ra một lỗ trốngmới đằng saunó. Cứ như thế, các
lỗ trốngcó thể di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác trong tinh thể. Do vậy, khi có
nguồnnăng lượngbên ngoài tác dụng vào tinh thể thì sẽ có một số điệntích âm và
điện tíchdương được tạoravà chuyểnđộngtự do trong tinhthể. Chúngchuyển
độngngẫu nhiên và cânbằng vớinhau.
Giả sử có một lượng rấtnhỏ arsenđược chovào tinh thể silic. Nguyên tử
arsencó năm electronở lớp vỏ ngoài cùng.Nếunguyên tử arsenkết hợp vối bốn
nguyêntử silic lân cận (giốngnhư nguyên tử silickết hợp với các nguyên tử lân
cận nó) thì sẽ cònlại một electron của nguyên tử arsentrở thànhelectrontự do.
Như vậy, việc đưamộtlượng rất nhỏ arsen vào trong tinhthể silic sẽ làm

tăng số electron chuyển động tự do. Xét toàn bộ thì tinh thể vẫn còntrung hòađiện
vì các electrontự do tăng thêm sẽ cân bằng với các ptoton mangđiệntích dương
trong hạt nhân của nguyên tử arsen.
Kết quả sẽ khác đi nếu cho boron vào trong tinh thể silic. Mỗi nguyêntử
boron chỉ có ba electronở lớpvỏ ngoài cùng. Nếu nguyên tử boron kết hợp với
bốn nguyên tử silic lâncận, do thiếu một electronnên sẽ có một lỗ trống dương
trong mạng tinhthể quanh nguyên tử boron. Ngaycả chỉ một lượngrất nhỏ boron
thì vẫn có mộtsố rấtđáng kể các nguyên tử tạo nên mộtsố các lỗ trống mangđiện
tích dươngdôi ra trong mạngtinh thể. Và lầnnữa, tính trunghòa của toàn mạng
tinh thể vẫn khôngthay đổi.
Tạo điện trường.
Bây giờ,giả sử rằngarsenđược chovào mộtnửa tinhthể silic và boronđược
cho vào nửakia.Mỗi một nửa tinh thể silic vẫncòntrung hòa điện, tuy nhiên,mật
độ điệntử tự dotrong nửatinh thể có arsen lớn hơn trongnửatinh thể có boron.
Cũng tương tự như thế,ở phíatinh thể có boron có nhiều lỗ trống hơn ở phía tinh
thể có arsen.Vìcả hai loại điện tích chuyển độnghỗn độn nên chúngcó khuynh
hướngkhuếch tán khắp toànbộ tinh thể, điqua đường biên phân cáchgiữa hai
nửa tinhthể.
Phía nửa tinhthể silic có boronsẽ tích điện âm vì các electronthừa di
chuyển về phía này. Ngượclại, về phía có arsentrở thànhtích điện dươngvì nhận
các lỗ trống. Các điện tích nàysẽ tậphợp các electron và lỗ trốngtừ phía bênnày
sang phía bênkiacủa tinhthể. Cuối cùng, cácđiện tíchtrở nên đủ mạnhđể ngăn
khôngcho sự khuếchtán qua đườngbiên xảy ra nữa.Phía tích điện âmsẽ đẩy các
electron;phía tích điện dương sẽ đẩy cáclỗ trống.Khi cósự cân bằng thì tồn tại
sẵn mộtđiện trường.
Tạo dòng
Các nhà khoa học sử dụng điện trườngđã có được để tạo nên dòngđiện.
Trongứng dụng này, làpinmặt trời, gồm hailớp vậtliệu cực mỏng-thườnglàbằng
silic-được dùng để chuyển đổi trực tiếp ánh sángmặt trời thànhđiện năng. Một
tạp chất đượccho vào một trong hailớp silickhiến cho lớpnày tích điệndương

(được gọilà lớpsilic loại p), ở lớp siliccòn lại chovào loại tạp chất để lớp này trở
thành tích điện âm (đượcgọi là lớpsilicloại n). Vùngphân cách giữa hailớp này
gọi là vùng chuyển tiếp p-n.
Các đầu cuối được gắn vào hai mặt của pinmặt trời và cácđiểm cuối này
được nối bằng dây. Khi ánh sáng mặt trời đập vào lớpvật liệu làm cho các electron
bật ra khỏi mạng tinhthể quanh vùng chuyểntiếp và tạoracặp electron-lỗ trống.
Cứ như thế, trạngthái cân bằng giữa hai lớp silicbị phà vỡ. Các electron sẽ di
chuyển từ đầu cuối của lớpsilic loại n theođường dây dẫn điện đến đầucuối của
lớp silicloại p. Dòng điện tiếptục chạy trongdây dẫn cho đếnchừng nào còn ánh
sáng mặt trời chiếu vào các lớp silic.
Pin mặt trời thuhút được nhiều sự chú ý dotính chất đơngiản và hoạt động
tươngđốidễ dàng. Giống như tấtcả các lĩnh vực liênquan đếnnănglượngmặt trời,
pin mặt trờicó khả năng tolớn để đượcsử dụng trên quy mô rộnglớn.
Nói chung, xét về mặt môi trường,năng lượng mặttrời là an toàn nhất trong
tất cả các nguồnnăng lượng.Khi xét đến nguồn cung cấp bứcxạ mặt trời có sẵn
hầu như vô tận, chắc chắn nhiều chuyên gia xem nguồn nănglượng mặt trờilà
nguồnnăng lượngđầy hứa hẹn nhất cho tương lai.