Hệ thống nguồn điện pin mặt trời

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN TUẤN ANH

HỆ THỐNG
NGUỒN ĐIỆN PIN MẶT TRỜI

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

1


VINH - 2010

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, ngoài sự nỗ lực của bản
thân tôi còn nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ của các tập thể, cá
nhân.
Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, cán bộ
trường Đại học Vinh, khoa Vật Lý đã giảng dạy giúp tôi hoàn thành tốt
khóa học và cho tôi những lời khuyên bổ ích.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo T.S Nguyễn Hồng
Quảng, người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của gia đình, bạn bè
và người thân đã ủng hộ động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi
hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Vinh, tháng 5 năm 2010
Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Tuấn Anh

MỤC LỤC
Danh mục các bảng biểu và hình vẽ..............................................................3
Mở đầu..............................................................................................................5
Chương I. Cơ sở vật lý của pin mặt trời .......................................................7
1.1. Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn ..............................................7

2


1.2. Chuyển tiếp p – n............................................................................10
1.3. Pin mặt trời.....................................................................................13
1.3.1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời......................................14
1.3.2. Các đặc trưng điện của pin mặt trời..........................................15
1.3.2.1. Sơ đồ tương đương................................................................15
1.3.2.2. Dòng đoản mạch....................................................................16
1.3.2.3. Thế hở mạch VOC...................................................................17
1.3.2.4. Điểm làm việc với công suất cực đại.....................................19
1.3.2.5. Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất
của pin mặt trời................................................................................................21
1.3.2.6. Hiệu suất biến đổi quang - điện của pin mặt trời ..................22
Chương II. Hệ thống nguồn điện pin mặt trời ...........................................25
2.1. Quy trình chế tạo các modun pin mặt trời...........................................25
2.1.1. Sơ lọc cát thạch anh để có silicon có độ sạch kỷ thuật.............26
2.1.2. Làm sạch tiếp để có silicon có độ sạch bán dẫn và tạo
đơn tinh thể Si.................................................................................................26
2.1.3. Tạo tiếp xúc pn.........................................................................27
2.1.4 Phủ lớp chống phản xạ ánh sáng...............................................29
2.1.5 Đóng gói các pin mặt trời thành modun....................................29

2.2. Ghép nối các modun thành panel ........................................................31
2.2.1. Hệ thống nguồn điện pin mặt trời tổng quát.............................32
2.2.2. Dàn pin mặt trời .......................................................................34
2.2.2.1 Ghép nối tiếp các modun pin mặt trời giống nhau.................34
2.2.2.2. Ghép nối tiếp các modun không giống nhau.........................36
2.2.2.3. Ghép song song các modun pin mặt trời giống nhau............38
2.2.2.4. Ghép song song các modun không giống nhau.....................39
2.2.2.5. Các thông số kỹ thuật của modun pin mặt trời .....................41

3


2.2.2.6. Lắp đặt dàn pin mặt trời ........................................................42
2.2.2.7. Các bộ điều phối năng lượng ................................................44
2.2.3. Tích trữ năng lượng trong hệ thống nguồn điện pin mặt trời ........47
2.2.3.1. Acquy chì – axit.....................................................................48
2.2.3.2. Các đặc trưng của acquy axit – chì........................................48
2.2.3.3. Các loại acquy khác...............................................................50
Kết luận..........................................................................................................52
Tài liệu tham khảo.........................................................................................54

Danh mục các bảng biểu:
Bảng 1.1. Các giá trị Eg, a và b của Si và GaAs..............................................23
Danh mục các hình vẽ:
Hình 1.1. Hiệu ứng quang điện.........................................................................7

4


Hình 1.2. Các quá trình lượng tử trong hệ hai mức..........................................8

Hình 1.3. Sự phụ thuộc của η vào Eg.............................................................10
Hình 1.4. Bán dẫn n và p trước khi tiếp xúc ..................................................11
Hình 1.5. Sự tạo thành lớp tiếp xúc tiếp bán dẫn pn.......................................11
Hình 1.6. Mạng lưới pin mặt trời....................................................................13
Hình 1.7. Cấu trúc của pin mặt trời Si và cơ chế tạo ra dòng điện.................14
Hình 1.8. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời ..............................................15
Hình 1.9. Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời vào cường độ
bức xạ mặt trời.................................................................................................18
Hình 1.10. Sự phụ thuộc của đặc trưng sáng VA của pin mặt trời vào
nhiệt độ của pin...............................................................................................19
Hình 1.11. Điểm làm việc và điểm làm việc công suất cực đại .....................20
Hình 1.12. Các thành phần của điện trở nội Rs của pin mặt trời ...................22
Hình 1.13. Sự phụ thuộc của hiệu suất vào nhiệt độ......................................23
Hình 2.1. Hệ thống pin mặt trời......................................................................25
Hình 2.2. Hình ảnh một modun pin mặt trời từ Si..........................................26
Hình 2.3. Phương pháp tạo bán dẫn tạp chất p-Si..........................................27
Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc một pin mặt trời Si điển hình..................................29
Hình 2.5. Các lớp vật liệu trong một modun khi ép (a) và modun pin
mặt trời hoàn thiện (b).................................................................................... 30
Hình 2.6. Hình ảnh panel pin mặt trời hoàn thiện..........................................31
Hình 2.7. Hình ảnh một hệ thống nguồn điện pin mặt trời thu nhỏ................32
Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ nguồn điện pin mặt trời...........................................33
Hình 2.9a. Hệ pin mặt trời gồm hai modun giống nhau mắc nối tiếp........... 35
Hình 2.9b. Đường đặc trưng VA của các modun và của hệ pin mặt trời.......35
Hình 2.10. Các đường đặc trưng VA của các modun không giống nhau và
của hệ hai modun............................................................................................36

5

Hình 2.11. Ghép song song hai modun PMT giống nhau (a) và đường
đặc trưng VA của các modun và của hệ (b)....................................................38
Hình 2.12. Các đường đặc trưng của hệ song song hai modun pin mặt trời
không giống nhau............................................................................................39
Hình 2.13. Các diot ngăn cách các modun để bảo vệ.....................................41
Hình 2.14. Định hướng dàn pin mặt trời.........................................................43
Hình 2.15 . Hình ảnh dàn pin mặt trời đã được lắp đặt hoàn thiện.................44
Hình 2.16. Hình ảnh hệ nguồn điện pin mặt trời tổng quát............................44
Hình 2.17. Hình ảnh acquy dùng trong hệ nguồn pin mặt trời...................... 47
Hình 2.18. Sự phụ thuộc của dung lượng ampe – giờ của acquy vào
chế độ phóng điện ...........................................................................................49

MỞ ĐẦU
Trong thời đại khoa học kỉ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày
càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí

6


thiên nhiên và ngay cả thuỷ điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước
nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng
lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt,
năng lượng mặt trời…là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch
phát triển năng lượng, không những đối với các nước phát triển mà cả đối với
các nước đang phát triển.
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người đã biết sử dụng
từ rất sớm. Nó là nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất – thực sự đang
được loài người quan tâm khai thác.
Việt Nam là nước có tiềm năng năng lượng mặt trời, với vị trí nằm trong
khu vực có cường độ bức xạ mặt trời cao, do đó việc sử dụng năng lượng mặt

trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao năng lượng. Từ đó có thể thấy
việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và
triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự. Thiết bị sử
dụng năng lượng mặt trời hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng
pin mặt trời hay pin quang điện.
Vấn đề sử dụng năng lượng mặt trời đã được các nhà khoa học trên thế
giới và trong nước quan tâm. Mặc dù tiềm năng của năng lượng mặt trời rất
lớn, nhưng tỷ trọng năng lượng được sản xuất từ năng lượng mặt trời trong
tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới vẫn còn khiêm tốn. Nguyên nhân chính
chưa thể phổ biến các thiết bị và còn tồn tại một số hạn chế lớn chưa được
giải quyết như: giá thành thiết bị còn cao, hiệu suất thiết bị còn thấp, việc
triển khai ứng dụng thực tế còn nhiều hạn chế. Nhưng với sự phát triển nhanh
chóng của các ngành khoa học công nghệ và khoa học vật liệu như hiện nay
cho phép tạo ra những vật liệu mới có những tính năng nổi trội để có thể thay
thế những vật liệu đắt tiền, và đặc biệt là nâng cao hiệu suất của pin mặt trời
khi đó vấn đề giá thành của sản phẩm tạo ra sẽ được giải quyết. Một vấn đề

7


cũng không kém phần quan trọng là việc sử dụng hệ thống nguồn điện pin
mặt trời nào cho hợp lý và có thể đưa lại hiệu quả sử dụng cao nhất. Do đó
việc tìm hiểu về pin mặt trời, công nghệ chế tạo, ghép nối các modun thành
các panel, cách dự trữ năng lượng của nó là nhu cầu quan trọng của chúng ta
trong giai đoạn hiện nay và cho mai sau. Đó là lý do chính tôi chọn đề tài "Hệ
thống nguồn điện pin mặt trời" cho khoá luận tốt nghiệp của mình.
Ngoài mở đầu, kết luận, khoá luận được chia thành hai chương chính
như sau:
Chương I. Cở sở vật lý của pin mặt trời
Chương này trình bày tóm tắt về lý thuyết của quá trình chuyển hoá năng

lượng mặt trời thành dòng điện và các thông số cơ bản ảnh hưởng đến hiệu
suất của nó.
Chương II. Hệ thống nguồn điện pin mặt trời
Đây là nội dung chính của khoá luận, sẽ được trình bày tóm tắt quy trình
công nghệ chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu Silic (Si), cách ghép nối các
modun và dự trữ năng lượng của pin mặt trời.

Chương I

CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA PIN MẶT TRỜI
Trong chương này chủ yếu trình bày các hiện tượng vật lý được vận
dụng trong pin mặt trời. Pin mặt trời là thiết bị dùng để biến đổi ánh sáng

8


thành năng lượng điện nhờ hiệu ứng quang điện trong. Khi ánh sáng chiếu tới
bề mặt vật liệu thì một phần sẽ bị phản xạ trở lại môi trường, một phần bị vật
liệu hấp thụ và phần còn lại truyền qua vật dẫn. Tuy nhiên chúng ta quan tâm
đến phần ánh sáng bị hấp thụ bởi vật liệu để tạo thành cặp điện tử - lỗ trống
nhờ hiệu ứng quang điện trong. Chương này sẽ trình bày chi tiết về các hiện
tượng đó.
1.1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là hiện tượng xuất hiện dòng điện trong vật rắn khi
có ánh sáng chiếu trên bề mặt vật rắn đó.
Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1 và E2 trong đó E1 < E2 (E1 là
mức cơ bản, E2 là mức khi điện tử bị kích thích) (hình 1.1)

Hình 1.1. Hiệu ứng quang điện
Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng – photon – có năng lượng hv

(h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng), lúc đó điện tử chiếm mức năng
lượng thấp E1 sẽ hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2. Phương trình
năng lượng có dạng:
hv = E2 – E1

(1.1)

Trong các vật bán dẫn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện
tử vành ngoài nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng
lượng con rất sát nhau và tạo thành vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp
bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bờ
trên của nó có năng lượng Eν . Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn
trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bờ dưới của vùng năng

9


lượng là Ec. Cách ly giữa hai vùng hoá trị và vùng dẫn là một vùng cấm có độ
rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép của điện
tử (hình 1.2).
Vùng dẫn
Ec
Eg
Ev

Vùng hoá trị

E0

Mức cơ bản

Hình 1.2. Các quá trình lượng tử trong hệ hai vùng năng lượng
Khi chiếu sáng vật bán dẫn có cấu trúc năng lượng nói trên, photon có năng
lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển
lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e- và để lại ở vùng hoá trị một lỗ trống
có thể coi như hạt mang điện tích dương nguyên tố và được kí hiệu h+, lỗ
trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng
phương trình sau:
ev + hv → e- + h+

(1.2)

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ
vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là:
hv =

hc
≥ Eg = Ec – Ev
λ

(1.3)

Từ đó có thể tính được bước sóng giới hạn λ c của ánh sáng để có thể tạo
cặp điện tử - lỗ trống là (trong công thức này năng lượng được tính
bằng eV): [1]
λ c=

hc 1,24
hc

=
( µm)
=
Eg
Eg
Ec − Ev

10

(1.4)


Quá trình hồi phục chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10 -12 ÷ 10-1
giây và gây ra dao động mạng (pho-non) [1]. Năng lượng bị tổn hao do quá
trình hồi phục sẽ là (hv - Eg).
Như vậy, khi chiếu sáng vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng
lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống
e- - h+, tức là đã tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện
bên trong.
Từ các trình bày ở trên ta có thể xác định được giới hạn lý thuyết của
hiệu suất η biến đổi năng lượng quang điện của hệ thống hai mức: [1]
λc

η =

E g ∫ J 0 (λ )dλ
0

∫

∞

0

 hc 
J 0 (λ )   dλ
λ

(1.5)

Trong đó J0( λ ) là mật độ photon có bước sóng λ ; J0( λ )d λ là tổng số
photon tới có bước sóng trong khoảng λ ÷ λ + d λ ; hc/ λ là năng lượng của
photon. Tử số của (1.5) là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon
trong quá trình quang điện, còn mẫu số là tổng năng lượng của photon tới hệ.
Như vậy, η là một hàm số của Eg (vì λ c cũng là hàm số của Eg) như được
trình bày trong hình 1.3

Hình 1.3. Sự phụ thuộc của η vào Eg – [1]

11


Như thấy trên hình, η có một cực đại η max ≈ 0,44 xung quanh giá trị
Eg = 1,5 eV. Kết quả này có tính tổng quát và áp dụng cho các hệ 2 mức năng
lượng bất kỳ.
Năng lượng tổn hao trong một quá trình biến đổi quang điện chủ yếu do
2 nguyên nhân sau:
- Các photon có năng lượng hv < Eg hay λ < λ c không bị điện tử hấp thụ
để tạo cặp e- - h+, mà truyền qua vật rắn.
- Do quá trình phục hồi, điện tử và lỗ trống giải phóng năng lượng

∆ E = hv – Eg cho mạng tinh thể vật rắn để tới đáy các vùng năng lượng.

1.2. Chuyển tiếp p – n
a. Vật liệu bán dẫn
Bán dẫn là nhóm vật liệu có tính dẫn điện nằm trung gian giữa kim loại
và chất cách điện.
Bán dẫn loại p: là bán dẫn dương, có tạp chất là các nguyên tố ở
nhóm III - Donor (nhôm, gali,…).
Bán dẫn loại n: là bán dẫn âm, có tạp chất là các nguyên tố
nhóm V – Acceptor (photpho, asen,…).
Chuyển tiếp p – n: là miền tiếp giáp giữa hai loại bán dẫn p và bán dẫn n.
b. Chuyển tiếp p - n
Từ trên ta thấy rằng khi được chiếu sáng trong vật rắn có thể được tạo ra
các cặp điện tử và lỗ trống e- - h+ liên kết yếu với nhau.
Để có thể tạo ra dòng điện, trước hết cần tách e - và h+ khỏi liên kết cặp và
sau đó bắt chúng chuyển động có hướng. Hiệu ứng này có thể thực hiện nhờ
một điện trường E nào đó, ví dụ như sử dụng điện trường định xứ trên lớp tiếp
xúc p – n giữa hai loại bán dẫn.

12


Hình 1.4. Bán dẫn n và p trước khi tiếp
xúc (electron kí hiệu bằng chấm đen, lỗ
trống-vòng tròn nhỏ).

Hình 1.5. Sự tạo thành lớp
tiếp xúc tiếp bán dẫn pn.

Hình 1.4 là các sơ đồ các vùng năng lượng của hai loại bán dẫn n và p.

Trong bán dẫn loại n, mật độ hạt dẫn điện tử n n rất lớn hơn mật độ lỗ trống pn
(nn >>pn). Vì vậy người ta thường gọi điện tử là hạt dẫn cơ bản, còn lỗ trống
là hạt dẫn không cơ bản. Một cách gần đúng thì mật độ điện tử n n gần bằng
mật độ tạp chất nguyên tử Donor ND được pha vào bán dẫn tinh khiết. Còn
trong bán dẫn loại p, lỗ trống lại là hạt dẫn cơ bản. Mật độ lỗ trống p p, lại rất
lớn hơn mật độ electron np , pp >> np , độ dẫn chủ yếu do lỗ trống có mật độ
pp , nó gần bằng mật độ nguyên tử tạp chất Acceptor NA được pha vào bán
dẫn tinh khiết.
Về mặt năng lượng, sự pha các tạp chất Donor và Acceptor vào bán dẫn
tinh khiết đã làm xuất hiện các mức năng lượng tạp chất trong vùng cấm: các
mức tạp Donor nằm sát dưới đáy vùng dẫn Ec trong bán dẫn loại năng lượng,
được biểu thị bằng các dấu “ +” trong hình 1.4.
Ngược lại, các mức tạp Acceptor lại nằm sát đỉnh vùng hoá trị trong bán
dẫn loại p và được biểu diễn bằng dấu “ – ”.

13


Khi cho các bán dẫn n và p tiếp xúc với nhau, tạo ra một lớp tiếp xúc
điện tử p – n, thì do chênh lệch về mật độ hạt dẫn, các điện tử sẽ khuếch tán
từ bán dẫn n sang bán dẫn p, còn lỗ trống thì khuếch tán ngược lại. Sự khuếch
tán này làm cho phía bán dẫn n sát lớp tiếp xúc hình thành một điện trường
tiếp xúc hướng từ bán dẫn n sang bán dẫn p ngăn cản các quá trính khuếch tán
của điện tử và lỗ trống. Sự hình thành điện trường tiếp xúc dẫn đến sự tạo ra
một hàng rào thế năng như hình 1.5 ngăn cản sự khuếch tán của các hạt tải
điện cơ bản qua lớp tiếp xúc. Khi đạt trạng thái cân bằng, điện trường và hiệu
điện thế tiếp xúc sẽ đạt giá trị ổn định phụ thuộc vào bản chất vật liệu và nhiệt
độ của miền tiếp xúc và có thể biểu diễn bằng công thức sau: [1]
n p

kT

N Na

kT
n p
d
Utx = q ln n 2 = q ln n 2
i
i

và thế năng tiếp xúc:

(1.6)

nn n p

qUtx = kTln n 2
i

(1.7)
n

p

p
n
n i2 = nn.pn = pp.np → qUtx = kTln n = kTln p
p
n

vì

(1.8)

trong đó ni là mật độ điện tử dẫn trong bán dẫn chưa pha tạp chất, nó cũng
bằng lỗ trống pi; T – nhiệt độ miền tiếp xúc p – n; k là hằng số Boltzmann và
q là điện tích của điện tử.
Ở trạng thái cân bằng, độ cao hàng rào thế VD = qUtx có giá trị gần bằng độ
rộng vùng cấm Eg của vật liệu và điện trường tiếp xúc có giá trị khoảng
ETX ~ 104 ÷ 105 V/cm. Độ dày của lớp tiếp xúc W được xác định theo công
thức:
W = Wn + Wp =

2ε 0ε ( N a + N d )U tx
q2 Na Nd

(1.9)

trong đó Wn, Wp là các độ dày miếng tiếp xúc ở phía bán dẫn n và p, ε 0 và ε
là hằng số điện và hằng số điện môi của bán dẫn. Giá trị điển hình của W vào
khoảng 0,1 ÷ 1 µm .

14


Ở vùng tiếp xúc, các hạt dẫn điện tự do đã bị làm nghèo do quá trình tái
hợp và quá trình khuếch tán của các hạt dẫn. Vì vậy điện trở của miền tiếp
xúc khá lớn.
1.3. Pin mặt trời

Pin mặt trời là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diode n-p khi có ánh
sáng mặt trời chiếu tới thì có khả năng tạo ra dòng điện nhờ hiệu ứng quang
điện trong.
Về mặt cấu tạo pin mặt trời gồm: lớp kính thuỷ tinh trên cùng, lớp keo
dính trong suốt cho ánh sáng truyền qua, tấm chống phản xạ, lớp pin đã được
hàn ghép điện, lớp keo dính và tấm đế dưới cùng.
Trong công nghệ pin mặt trời, năng lượng mặt trời được biến đổi trực
tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện được chế tạo từ các vật liệu
bán dẫn. Các pin mặt trời sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào
còn có bức xạ mặt trời tới nó.

Hình 1.6. Mạng lưới pin mặt trời - [7]
Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu nguyên lý hoạt động và các đặc trưng cơ
bản của pin mặt trời.
1.3.1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Ta xét pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silic (Si).
Nó bao gồm các thành phần: lớp chống phản xạ, lưới điện cực trên, tiếp
xúc bán dẫn np-Si, lớp điện cực dưới.

15


Hình 1.7. Cấu trúc của pin mặt trời Si và cơ chế tạo ra dòng điện.
Chấm đen là điện tử e-; chấm trắng là lỗ trống h+ - [4]
Khi một photon chạm vào vật liệu tinh thể bán dẫn Si, sẽ có thể có nhiều
hiệu ứng xảy ra như: tán xạ, truyền qua, hấp thụ…Đối với quá trình hoạt động
của pin mặt trời ta chỉ quan tâm tới quá trình hấp thụ photon của tinh thể bán
dẫn Si.
Chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n. Dưới tác dụng của ánh sáng các cặp
điện tử lỗ trống dược tạo thành và do tác dụng của điện trường tiếp xúc nên

các cặp e- / h+ bị tách ra sau đó bị gia tốc về các phía đối diện và tạo ra một
suất điện động quang điện. Nếu nối các đầu bán dẫn loại n và p bằng một dây
dẫn thì trong dây có một dòng điện gọi là dòng quang điện và có thể cho ở
ngoài một công suất hữu ích. Đó chính là nguyên lý hoạt động của pin mặt
trời.
1.3.2. Các đặc trưng điện của pin mặt trời
1.3.2.1. Sơ đồ tương đương
Như vậy, có thể thấy rằng, khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p
và n của một tiếp xúc p – n bằng một dây dẫn, thì pin mặt trời phát ra một

16


dòng quang điện gọi là Iph. Vì vậy trước hết pin mặt trời có thể xem tương
đương như một nguồn dòng.
Lớp tiếp xúc bán dẫn p – n có tính chỉnh lưu tương đương như một diot.
Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên có
một dòng điện được gọi là dòng dò qua nó. Đặc trưng cho dòng dò qua lớp
tiếp xúc p – n người ta đưa vào đại lượng điện trở sơn Rsh (shun)

Hình 1.8. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời - [1]
Khi dòng điện chạy qua mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các
điện cực, các tiếp xúc,… Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là
một điện trở Rs nối tiếp trong mạch (có thể coi là điện trở trong của pin mặt
trời).
Như vậy, một pin mặt trời khi được chiếu sáng có sơ đồ điện tương
đương như hình 1.8a.
Từ sơ đồ tương đương, có thể dễ dàng viết được phương trình đặc trưng
sáng von – ampe của pin mặt trời như sau: [1]
I = Iph – Id – Ish = Iph – Is[exp

V + Rs I
q (V + Rs I )
−1] Rsh
nkT

Trong đó:
Iph – dòng quang điện (A/m2);
ID – dòng qua diot (A/m2);

17

(1.10)


Is – dòng bão hoà (A/m2);
n – được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn
thiện công nghệ chế tạo pin mặt trời. Gần đúng có thể lấy bằng 1.
Rs – điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt trời ( Ω /m2);
Rsh – điện trở sơn (điện trở dò) ( Ω /m2);
q – điện tích của điện tử (C).
Thông thường điện trở sơn R sh rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số hạng cuối
cùng trong biểu thức (1.10). Đường đặc trưng sáng von – ampe của pin mặt
trời cho bởi đường cong trong hình 1.8b. Có ba điểm quan trọng trên đường
đặc trưng này:
- Dòng đoản mạch ISC;
- Thế hở mạch VOC;
- Điểm làm việc công suất cực đại PM.
1.3.2.2. Dòng đoản mạch
Dòng đoản mạch Isc là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm

ngắn mạch ngoài (chập các cực ra của pin). Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài
của pin bằng V = 0. Đặt giá trị V = 0 vào phương trình (1.10) ta có:
Isc = Iph - Is[exp

RI
qRs I sc
− 1 ] - s sc
Rsh
nkT

(1.11)

Ở các điều kiện chiếu sáng bình thường (không có hội tụ) thì hiệu ứng
điện trở nối tiếp Rs có thể bỏ qua, và ID = 0 và do đó từ : Iph = qKNph
với Nph =

∫

λc

0

J 0 (λ )dλ có thể suy ra :

Isc = Iph = α E.
Trong đó E là cường độ sáng, α là một hệ số tỷ lệ. Như vậy ở điều kiện
bình thường, dòng đoản mạch I sc của pin mặt trời tỷ lệ thuận với cường độ
bức xạ chiếu sáng. Hình 1.9 cho thấy các đường đặc trưng VA của pin mặt
trời phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng. Với pin mặt trời tinh thể Si, I sc ≈

18


30mA/cm2 khi cường độ bức xạ tới E0 = 1000 W/m2 và ở nhiệt độ T = 250C.
Đường chấm chấm là đường nối các điểm làm việc tối ưu có công suất cực
đại ở các cường độ bức xạ khác nhau.
1.3.2.3. Thế hở mạch VOC
Thế hở mạch Voc là hiệu điện thế đo được khi mạch ngoài của pin mặt
trời hở (R = ∞ ). Khi đó dòng mạch ngoài I = 0. Đặt giá trị đó của dòng mạch
ngoài vào (1.10) và giả thiết Rsh rất lớn ta được biểu thức xác định V oc như
sau: [1]
0 = Iph - Is[exp

qVoc
qV
− 1 ] = Iph - Is[exp oc ] + Is
nkT
nkT

Iph + Is = Is[exp
nkT

Voc = q ln

qVoc
]
nkT

I ph + I s
Is

I

nkT

ph
vì Iph >> Is nên có thể viết Voc = q ln I
s

(1.12)

Trong biểu thức của Voc ta thấy nó phụ thuộc vào nhiệt độ một cách trực
tiếp (thừa số T ở trước biểu thức) và gián tiếp qua dòng quang điện bão hoà I s.
Như ta đã biết, dòng bão hoà Is là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo
ra do kích thích nhiệt và bị gia tốc bởi điện trường tiếp xúc. Khi nhiệt độ của
pin mặt trời tăng dòng bão hoà Is cũng tăng lên theo hàm mũ:
Is = qAgthLD = qALDg0[exp( −

Eg
kT

)]

19

(1.13)


Hình 1.9. Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời
vào cường độ bức xạ mặt trời – [1]
ở đây

gth = g0[exp( −

Eg
)]
kT

trong biểu thức (1.13) A là điện tích bề mặt tiếp xúc pn, g th là mật độ hạt dẫn
được tạo ra do kích thích nhiệt trong lớp tiếp xúc, g 0 = gth khi T = ∞ được gọi
là hệ số kích thích nhiệt. Đặt các biểu thức này vào biểu thức Voc ta có:
E

nkT

L g A

g
D 0
Voc = q − q ln KN
ph

Từ công thức trên ta thấy, chỉ khi T = 0 thì mới thu được ở các đầu ra cảu
tiếp xúc pn điện thế bằng thế năng Eg/q của cặp e- - h+. Còn khi T > 0 thì
Voc <

Eg
q

Sự khác nhau giữa cá thế năng khi T = o và khi T > 0 phụ thuộc vào hệ
số kích thích nhiệt g0 và vào hiệu suất góp K. Khi chiếu sáng với cường độ

sáng cao thì Nph tăng lên và V0 càng gần tới giá trị Eg/q. Ngoài ra, Voc tăng
theo hàm loga với dòng quang điện Iph mà đến lượt nó lại tăng tuyến tính khi
nhiệt độ của pin mặt trời tăng. Đối với pin mặt trời tinh thể Si, khi nhiệt độ

20


tăng trong khoảng từ 20 đến 100 0C thì Voc giảm khoảng 2 mV/0C, còn dòng
quang điện tăng lên khoảng 0,03 mA/cm2.0C. Hình 1.10 cho thấy sự phụ thuộc
của đặc trưng sáng VA của pin mặt trời tinh thể Si vào nhiệt độ trong khoảng
nhiệt độ từ -400C đến +600C.
1.3.2.4. Điểm làm việc với công suất cực đại
Xét một đường đặc trưng VA của pin mặt trời đối với một cường độ bức
xạ cho trước và ở nhiệt độ xác định. Nếu các cực đại của pin mặt trời được
nối với một tải tiêu thụ điện R thì điểm cắt nhau của đường đặc trưng VA của
pin mặt trời và đường đặc của tải trong toạ độ OIV là điểm làm việc của pin
mặt trời.

Hình 1.10. Sự phụ thuộc của đặc trưng sáng VA của pin mặt trời
vào nhiệt độ của pin – [1]
Nếu tải tiêu thụ điện của một pin mặt trời là một tải điện trở Ohm thuần,
thì đường đặc trưng tải là một đường thẳng qua gốc toạ độ và có độ nghiêng
α đối với trục OV và tg α = 1/R trên hình 1.11 (theo định luật Ohm ta có I =

V/R). Trong trường hợp này, công suất pin mặt trời cấp cho tải chỉ phụ thuộc
vào giá trị điện trở R.

21

Trong toạ độ OIV, công suất pin mặt trời cấp cho tải R bằng diện tích
chữ nhật giới hạn bởi hoành độ và tung độ của điểm làm việc. Với giá trị R
khác nhau và do đó công suất tải tiêu thụ cũng khác nhau. Tồn tại một giá trị
R = ROPT mà tại đó công suất tải tiêu thụ là cực đại. Điểm làm việc với công
suất cực đại, điểm A trên hình 1.11, là điểm tiếp xúc giữa đường đặc trưng
VA của pin mặt trời và đường công suất không đổi (đường công suất không
đổi

IV = const là các đường hypecbol).

Hình 1.11. Điểm làm việc và điểm làm việc công suất cực đại – [1]
Giá trị của điện trở tải tối ưu ROPT được xác định từ các thay thế và dòng
của nó theo định luật Ohm: [1]
Vopt

Ropt = I
opt

(1.14)

Ở điều kiện cường độ bức xạ không đổi và nhiệt độ cho trước ta thấy:
- Nếu điện trở tải R nhỏ, R << Ropt, pin mặt trời sẽ làm việc trong miền
MN (hình 1.9) là miền mà cường độ dòng điện gần như không đổi và gần
bằng dòng đoản mạch Isc.
- Nếu điện trở tải R lớn, R >> R opt, pin mặt trời làm việc trong miền PS
(hình 1.9), với hiệu điện thế gần như không đổi và bằng thế hở mạch Voc.

22

Rõ ràng pin mặt trời chỉ làm việc có hiệu quả khi tải tiêu thụ điện có giá
trị lân cận ROPT. Điều này không phải lúc nào cũng dễ dàng đạt được bởi vì
điểm làm việc ngay đối với một máy tiêu thụ điện cũng thay đổi. Ngoài ra bức
xạ mặt trời và nhiệt độ của môi trường cũng thay đổi liên tục theo thời gian,
nên đường đặc trưng VA của pin mặt trời cũng thay đổi và do đó làm dịch
chuyển điểm làm việc ra ngoài điểm làm việc tối ưu.
1.3.2.5. Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin mặt
trời
Như vậy, ta có thể thấy rằng có năm tham số ảnh hưởng đến chế độ làm
việc và hiệu suất của pin mặt trời. Đó là:
- Điện trở nội (điện trở nối tiếp) RS;
- Điện trở sơn Rsh;
- Dòng bão hoà Is.
Các tham số trên được gọi là các tham số “chủ quan” của pin mặt trời.
Hai tham số “khách quan” khác là:
- Cường độ bức xạ mặt trời E;
- Nhiệt độ của pin T.
Ở điều kiện bức xạ bình thường (không có hội tụ) các tham số trên có thể
xem như các tham số độc lập, chỉ trừ dòng điện bão hoà Is và nhiệt độ T.
Điện trở sơn Rsh đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc p – n, phụ thuộc
vào công nghệ chế tạo lớp tiếp xúc. Thông thường giá trị của R sh khá lớn, nên
dòng dò có thể bỏ qua.
Điện trở nội Rs là tổng của các điện trở: điện trở tiếp xúc giữa điện cực
dưới và bán dẫn p, R1; điện trở lớp bán dẫn loại p, R 2; điện trở lớp bán dẫn
loại n, R3; điện trở lớp tiếp xúc giữa bán dẫn n và cực kim loại trên, R 4; điện
trở của cực lưới kim loại mặt trên, R5 và điện trở của các thanh góp kim loại
mặt trên, R6 (hình 1.12). Tức là: [1]

23

6

Rs =

∑R
i =1

i

= R1 + R2 + R3 + R4 + R5 + R6 (1.15)

Sự tăng Rs hoặc sự giảm Rsh ảnh hưởng xấu đến công suất phát điện của
pin mặt trời.

Hình 1.12. Các thành phần của điện trở nội Rs của pin mặt trời – [1]
1.3.2.6. Hiệu suất biến đổi quang - điện của pin mặt trời
Công suất đỉnh của pin mặt trời là công suất do pin mặt trời phát ra khi
nó làm việc ở điểm làm việc tối ưu dưới bức xạ có cường độ 1000 W/m 2 và ở
nhiệt độ 250C. Công suất đỉnh được đo bằng Wp hay kWp.
Hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt trời là tỷ số giữa công suất
điện đỉnh và tổng năng lượng bức xạ tới pin mặt trời ở một nhiệt độ cho
trước: [1]
η =

Popt
A.E0

(100%)

(1.16)

Trong đó: η - hiệu suất biến đổi quang điện (%);
A – diện tích bề mặt pin mặt trời được chiếu sáng (m2);
E0 – cường độ bức xạ chuẩn = 1000 W/m2.

24


Đối với pin mặt trời tinh thể Si thương mại, η thường vào khoảng từ (12
đến 15%). Trong phòng thí nghiệm có thể đạt tới (20 đến 22%).
Như đã nói, nhiệt độ có ảnh hưởng lên các đặc trưng của pin mặt trời. Cụ
thể là, dòng quang điện tăng theo nhiệt độ với giá trị 0,1% khi nhiệt độ tăng
10C hay 0,03 mA/0C.cm2. Sự tăng dòng quang điện của pin mặt trời là do sự
giảm sự rộng vùng cấm của vật liệu Eg khi nhiệt độ tăng theo định luật: [1]
Eg(T) = Eg(0) -

aT 2
T +b

(1.17)

Với a và b là các hằng số phụ thuộc vào vật liệu, E g(0) là độ rộng vùng
cấm của vật liệu ở T = 00K. Dưới đây là giá trị của Eg(0), a và b của vài vật
liệu pin mặt trời điển hình:

Si
GaAs

Eg(0) (eV)

a (10-4 eV)
b (K)
1,16
7
1100
1,52
5,8
300
Bảng 1.1. Các giá trị Eg, a và b của Si và GaAs – [1]

Thế hở mạch Voc giảm một cách tuyến tính với sự tăng nhiệt độ vì dòng
bão hoà Is tăng theo hàm mũ. Dòng bão hoà là dòng của các hạt tải không cơ
bản được tạo ra do kích thích nhiệt.

Hình 1.13. Sự phụ thuộc của hiệu suất vào nhiệt độ - [1]
Sự phụ thuộc dòng bão hoà vào nhiệt độ có thể biểu diễn như sau:

25