khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện (solar battery 5 cells voltage u0 2,4v 6cm x 6cm, short – circuit current ik 0,32a)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.74 MB, 72 trang )
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƢ PHẠM
BỘ MÔN SƢ PHẠM VẬT LÝ
KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT PIN QUANG ĐIỆN
(SOLAR BATTERY 5 CELLS VOLTAGE U0 2,4V
6cm x 6cm, SHORT – CIRCUIT CURRENT IK < 0,32A)
Luận văn tốt nghiệp đại học
Ngành: SƢ PHẠM VẬT LÝ
Chuyên ngành: SƢ PHẠM VẬT LÝ – CÔNG NGHỆ
Giáo viên hƣớng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Ths. Lê Văn Nhạn
Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Mã số SV: 1117592
Lớp: Sƣ phạm Vật lý – Công nghệ
Khóa: 37
Cần Thơ, năm 2015
LỜI CẢM ƠN
Em gởi lời biết ơn sâu sắc đến thầy LÊ VĂN NHẠN đã trực tiếp hƣớng
dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn tốt
nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn thầy VƢƠNG TẤN SĨ đã nhiệt tình đóng
góp để em khắc phục và sửa chữa những thiếu sót và hoàn thiện luận văn hơn.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong Bộ môn Vật lý, trƣờng
Đại học Cần Thơ đã truyền đạt cho em những kiến thức, kỹ năng và phƣơng
pháp sƣ phạm tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn này.
Con xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đặc biệt là mẹ. Mẹ đã khích lệ,
động viên con trong suốt quá trình thực hiện luận văn
Đồng cảm ơn các bạn sinh viên lớp Sƣ phạm Vật lý – Công nghệ K37
đã nhiệt tình giúp đỡ, thăm hỏi tôi hoàn thành đề tài.
Cuối cùng, xin chúc quý thầy cô và các bạn dồi dào sức khỏe và thành
công hơn nữa trong công tác.
Trân trọng!
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Ngọc Huyền
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện. Các số liệu,
kết quả phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong
bất kỳ công trình nghiên cứu nào trƣớc đây.
Mọi tham khảo, trích dẫn đều đƣợc chỉ rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham khảo
của luận văn.
Cần Thơ, ngày 27 tháng 4 năm 2015
Tác giả
Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài........................................................................................................ 1
2. Giới hạn của đề tài ..................................................................................................... 1
3. Mục đích nghiên cứu .................................................................................................. 1
4. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................... 1
5.Các giả thuyết của đề tài ............................................................................................. 2
6. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................................2
7. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................ 2
8. các giai đoạn thực hiện đề tài ..................................................................................... 2
PHẦN LÝ THUYẾT .................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1. THUYẾT MIỀN NĂNG LƢỢNG ........................................................ 3
1. Trong kim loại .................................................................................................. 4
2. Trong điện môi .................................................................................................4
3. Trong chất bán dẫn ........................................................................................... 5
CHƢƠNG 2. CHẤT BÁN DẪN .................................................................................. 6
1. Chất bán dẫn tinh khiết ..................................................................................... 6
2. Chất bán dẫn pha tạp ........................................................................................ 7
2.1. Chất bán dẫn loại n ................................................................................. 7
2.2. Chất bán dẫn loại p ................................................................................. 8
2.3. Lớp chuyển tiếp p_n ............................................................................... 9
CHƢƠNG 3. HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN .................................................................. 15
1. Hiện tƣợng ....................................................................................................... 15
2. Các định luật quang điện và giải thích .............................................................. 15
2.1. Các định luật quang điện ......................................................................... 15
2.2. Giải thích các định luật quang điện ......................................................... 15
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
i
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
3. Hiệu ứng quang điện trong hệ thống hai mức năng lƣợng .................................16
4. Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện ..................................................... 17
5. Sự tạo thành hàng rào thế năng ......................................................................... 19
6. Tính chỉnh lƣu của lớp tiếp xúc chất bán dẫn .................................................... 20
7. Đƣờng đặc trƣng VA sáng - sự tạo thành dòng điện ........................................ 22
CHƢƠNG 4. PIN QUANG ĐIỆN ............................................................................... 25
1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin quang điện ......................................... 25
1.1 Cấu tạo của pin quang điện ...................................................................... 25
1.2. Nguyên lý hoạt động của pin quang điện ................................................ 27
2. Các đặc trƣng điện của pin quang điện ............................................................. 28
2.1. Sơ đồ tƣơng đƣơng ................................................................................. 28
2.2. Dòng đoản mạch ISC ............................................................................... 29
2.3. Thế hở mạch VOC .................................................................................... 30
2.4. Điểm làm việc với công suất cực đại....................................................... 32
2.5. Các điều kiện về tải tiêu thụ điện ............................................................ 34
2.6. Các tham số ảnh hƣởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin ........... 35
2.7. Hiệu suất biến đổi quang điện của pin ..................................................... 38
PHẦN THỰC HÀNH................................................................................................... 39
1. MỤC ĐÍCH .............................................................................................................. 39
2. DỤNG CỤ ................................................................................................................. 39
3. THỰC HÀNH........................................................................................................... 42
3.1. Cấu tạo của pin ............................................................................................. 43
3.2. Khảo sát đặc tính kỹ thuật của pin ................................................................ 43
3.2.1. Trƣờng hợp 1 ....................................................................................... 43
3.2.2. Trƣờng hợp 2 ....................................................................................... 53
3.2.3. Trƣờng hợp 3 ....................................................................................... 56
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
ii
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
3.3. Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin Mặt Trời trong thực tế ................................... 58
3.3.1. Giới thiệu pin Mặt Trời sẽ khảo sát ...................................................... 58
3.3.2. Khảo sát công suất của pin Mặt Trời trong thực tế ............................... 59
PHẦN KẾT LUẬN ...................................................................................................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 63
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 64
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
iii
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
- Ngày nay, với sự tiến bộ vƣợt bậc của khoa học kỹ thuật, con ngƣời đã đạt đƣợc
nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật quan trọng. Những thành tựu đáng chú ý đó là chế tạo
thành công pin Mặt Trời.
- Pin Mặt Trời hay còn gọi là pin quang điện là phƣơng pháp sản xuất điện trực
tiếp từ năng lƣợng Mặt Trời qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin Mặt Trời có ƣu điểm là
gọn nhẹ, có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng Mặt Trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ
trụ. Việc sử dụng pin năng lƣợng Mặt Trời nhƣ một nguồn năng lƣợng tại chỗ thay thế
cho các dạng năng lƣợng truyền thống, góp phần tiết kiệm điện, giảm tải nhu cầu ngày
càng tăng lên về năng lƣợng cho quốc gia, hệ thống pin năng lƣợng Mặt Trời cung cấp
điện cho các thiết bị điện, sẽ góp phần giảm phụ thuộc quá nhiều vào lƣới điện quốc gia,
đồng thời tạo ra một năng lƣợng tái tạo xanh, sạch, độc lập và thân thiện với môi trƣờng.
- Để đánh giá hiệu quả làm việc của một pin quang điện ngƣời ta dựa trên đặc tính
kỹ thuật của nó, những thông số đó quyết định khả năng làm việc của pin quang điện.
Ngày nay có rất nhiều dạng pin quang điện phục vụ cho nhu cầu sản xuất và tiêu dùng.
Tuy nhiên mỗi pin quang điện khác nhau thì có thông số kỹ thuật khác nhau.
- Xuất phát từ những suy nghĩ trên, khi tiến hành chọn đề tài tốt nghiệp, em đã
quyết định chọn đề tài “Khảo sát đặc tính kỹ thuật của pin quang điện (Solar battery
5 Cells Voltage U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A)”. Trong quá
trình thực hiện luận văn chắc chắn em không tránh khỏi sai sót. Mong đƣợc sự thông cảm
và góp ý của Quý Thầy cô và các bạn.
2. Giới hạn đề tài
- Nghiên cứu lý thuyết về pin quang điện và đặc tính kỹ thuật của pin quang điện
Solar battery 5 Cells Voltage U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A.
3. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu lý luận lý thuyết về pin quang điện. Thông qua việc nghiên cứu này
giúp em củng cố kiến thức vững vàng hơn về các lý thuyết liên quan về pin quang điện.
- Giúp rèn luyện cho em kĩ năng thực hành thí nghiệm, kĩ năng ứng dụng công
nghệ thông tin trong dạy học thí nghiệm Vật lý góp phần nâng cao chất lƣợng giảng dạy
sau này một cách khoa học và đạt hiệu quả cao.
4. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết các đại lƣợng đặc trƣng, các định luật liên quan đến pin
quang điện .
- Khảo sát cấu tạo của pin và các đặc tính kỹ thuật của pin quang điện (Solar
battery 5 Cells Voltage U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A).
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
1
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
5. Các giả thuyết của đề tài
- Nghiên cứu thuyết miền năng lƣợng, chất bán dẫn, hiện tƣợng quang dẫn, các
đặc trƣng điện của pin quang điện. Từ đó xem xét cấu tạo, đặc tính kỹ thuật của pin
quang điện (Solar battery 5 Cells Voltage U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current
IK < 0,32A).
6. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về pin quang điện, đặc biệt là các thông số đặc trƣng
của pin quang điện.
U0
- Khảo sát đặc tính kỹ thuật của pin quang điện (Solar battery 5 Cells Voltage
2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A) trong phòng thí nghiệm.
7. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: thuyết miền năng lƣợng, chất bán dẫn, hiện tƣợng quang
điện, pin quang điện.
- Phƣơng pháp thực nghiệm: khảo sát đặc tính kỹ thuật của pin quang điện (Solar
battery 5 Cells Voltage U0 2,4V 6cm x 6cm, short – circuit current IK < 0,32A) trong
phòng thí nghiệm.
8. Các giai đoạn thực hiện đề tài
- Giai đoạn 1: Trao đổi với thầy hƣớng dẫn về tài liệu nghiên cứu, nhận đề tài.
- Giai đoạn 2: Viết đề cƣơng, lập kế hoạch thực hiện đề tài.
- Giai đoạn 3: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, thu nhập tài liệu tham khảo.
- Giai đoạn 4: Nghiên cứu và lắp ráp mạch thực hành.
- Giai đoạn 5: Tiến hành đo đạc lấy số liệu.
- Giai đoạn 6: Phân tích số liệu đo đƣợc.
- Giai đoạn 7: Hoàn chỉnh đề tài báo cáo thử.
- Giai đoạn 8: Bảo vệ luận văn.
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
2
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
PHẦN LÝ THUYẾT
Năng lƣợng Mặt Trời là một nguồn năng lƣợng sạch và có thể coi là vô tận. Một
trong các kỹ thuật sử dụng năng lƣợng Mặt Trời là sản xuất điện năng - điện Mặt Trời.
Để sản xuất điện Mặt Trời ngƣời ta sử dụng hai công nghệ: nhiệt Mặt Trời và pin quang
điện. Trong công nghệ pin Mặt Trời, năng lƣợng Mặt Trời đƣợc trực tiếp biến đổi thành
điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, đƣợc chế tạo từ các vật liệu bán dẫn điện.
Các pin Mặt Trời (hay pin quang điện) sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào
còn có bức xạ Mặt Trời tới nó. Các hệ thống năng lƣợng pin Mặt Trời rất đơn giản,
không có phần chuyển động, không đòi hỏi phải bảo dƣỡng chăm sóc thƣờng xuyên nhƣ
các hệ thống năng lƣợng khác ... nên các hệ thống năng lƣợng pin Mặt Trời rất đƣợc
quan tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng. Ngay từ năm 1950 các pin Mặt Trời đã trở
thành nguồn điện tốt nhất cho các vệ tinh nhân tạo và hiện nay là các tàu vũ trụ. Đặc biệt
từ cuộc khủng hoảng dầu lửa năm 1973, các hoạt động nghiên cứu hoàn thiện công nghệ
pin Mặt Trời đã phát triển mạnh mẽ. Hiện nay, sản xuất pin Mặt Trời đã trở thành một
trong các ngành công nghiệp quan trọng ở nhiều nƣớc công nghiệp phát triển trên thế
giới.
Trƣớc khi nghiên cứu tới cấu tạo và các đặc tính kỹ thuật của pin quang điện ta đi
nghiên cứu một số lý thuyết có liên quan đến các đặc trƣng của pin quang điện.
CHƢƠNG 1. THUYẾT MIỀN NĂNG LƢỢNG.
Cấu trúc miền của các tinh thể (các vật rắn) là cơ sở của phần lớn các quan niệm
hiện đại về các cơ chế của những hiện tƣợng khác trong các chất cách điện (điện môi),
các chất bán dẫn điện và các chất dẫn điện (các kim loại).
Trong kim loại, sau khi tạo thành mạng tinh thể, từ các nguyên tử của kim loại dứt
ra các electron liên kết yếu hơn với nguyên tử. Các electron này trở thành các electron tự
do. Xuất phát từ quan niệm về electron tự do, Đrútđơ và Lorent đã hoàn chỉnh thuyết
electron cổ điển. Thuyết này giúp ta giải thích đƣợc tính dẫn điện của kim loại, nguyên
nhân của điện trở, bản chất của nhiệt dung, độ dẫn điện, độ tự cảm và điện động lực học
của kim loại… Nhƣng những gì mà thuyết electron mang lại chƣa thật hoàn hảo. Nó
không giúp ta giải thích đƣợc sự khác biệt giữa kim loại, bán kim loại, bán dẫn và chất
cách điện, sự xuất hiện của hằng số Hall và nhiều tính chất khác. Điều này làm nảy sinh
yêu cầu cần có một lý thuyết mới chặt chẽ hơn.
Ngƣời ta thấy rằng các electron trong tinh thể phân bố theo miền năng lƣợng.
- Miền hóa trị: là miền năng lƣợng thấp nhất của các electron hóa trị.
- Miền dẫn: là miền năng lƣợng cao hơn miền hóa trị. Các electron trong miền này có thể
tham gia vào sự dẫn điện.
- Miền cấm: là miền năng lƣợng nằm giữa đỉnh miền hóa trị và đáy miền dẫn. Năng
lƣợng của electron không nằm trong miền này.
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
3
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
Năng lƣợng của electron
Luận văn tốt nghiệp
Miền dẫn
Miền cấm
Miền hóa trị
Electron hóa trị
Hình 1.1. Các miền năng lƣợng của electron trong vật rắn.
Một điện tử muốn tham gia vào thành phần dòng điện phải trở thành điện tử tự do,
nghĩa là nó phải có đủ năng lƣợng nhảy từ miền hóa trị vƣợt qua miền cấm lên miền dẫn.
Từ thuyết miền năng lƣợng, ta sẽ giải thích sự dẫn điện của kim loại, chất bán dẫn,
điện môi.
1. TRONG KIM LOẠI:
Năng lƣợng của electron
Trong kim loại không có miền cấm, miền dẫn và miền hóa trị chồng lên nhau.
Hình 1.2. Các miền năng lƣợng của electron trong kim loại.
Ngay ở nhiệt độ thƣờng, các electron hóa trị dễ dàng di chuyển đến mức năng
lƣợng cao hơn, rồi tới mức năng lƣợng cao hơn nữa từ miền dẫn lên miền hóa trị và trở
thành electron tự do. Số lƣợng electron tự do rất lớn. Do đó kim loại dẫn điện rất tốt.
2. TRONG ĐIỆN MÔI:
Năng lƣợng của electron
Miền cấm rộng cỡ 3eV trở lên. Các electron hóa trị tạo nên liên kết chặt chẽ giữa
các nguyên tử cạnh nhau. Các liên kết này khó bị đứt nên khó tạo thành electron tự do.
Theo thuyết miền năng lƣợng, tất cả các mức trong miền hóa trị đều bị chiếm, tất
cả các mức trong miền dẫn còn trống.
Miền dẫn
Miền cấm
Miền hóa trị
Hình 1.3. Các mức năng lƣợng của electron trong điện môi.
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
4
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
Muốn cho electron từ miền hóa trị vƣợt qua miền cấm đến miền dẫn thì phải cung
cấp cho nó một động năng lớn. Vì vậy ở nhiệt độ thƣờng năng lƣợng chuyển động nhiệt
không đủ để nó chuyển động lên miền dẫn. Do đó ở nhiệt độ thƣờng điện môi là chất
cách điện.
3. TRONG CHẤT BÁN DẪN:
Các liên kết của nguyên tử không quá chặt. Do chuyển động nhiệt, các liên kết này
có thể bị đứt tạo ra electron tự do có khả năng dẫn điện gọi là electron dẫn. Chỗ electron
trƣớc khi bị đứt liên kết bây giờ là chỗ trống (lỗ trống). Các electron hóa trị gần đó nhảy
vào lỗ trống và lại tạo ra một lỗ trống khác. Cứ nhƣ thế tiếp tục. Chúng tham gia vào sự
dẫn điện.
Theo thuyết miền năng lƣợng, độ rộng của vùng cấm tƣơng đối bé.
Năng lƣợng của electron
Năng lƣợng của lỗ trống
Hình 1.4. Các mức năng lƣợng của electron trong bán dẫn.
Do đó, ngay ở nhiệt độ thƣờng, một số electron có đủ năng lƣợng chuyển động
nhiệt nhảy lên miền dẫn. Vị trí trƣớc kia của electron bây giờ là lỗ trống trong miền hóa
trị. Dƣới tác dụng của điện trƣờng, các electron trong miền hóa trị nhảy vào lỗ trống và
lại tạo ra một lỗ trống mới. Đồng thời, electron và lỗ trống nhận động năng và tham gia
dẫn điện. Tuy nhiên, số electron nhảy từ miền hóa trị lên miền dẫn trong chất bán dẫn ít
hơn trong kim loại nên chất bán dẫn dẫn điện yếu hơn kim loại.
Một tính chất có tầm quan trọng trong thực tiễn của các chất bán dẫn là hƣởng ứng
của chúng đối với ánh sáng. Các photon của ánh sáng với năng lƣợng lƣợng tử hv > Eg có
thể kích thích các electron lên miền dẫn khi chúng bị hấp thụ do các va chạm quang điện.
Khi năng lƣợng của vật rắn tăng lên, chiều rộng của miền đƣợc phép (miền dẫn,
miền hóa trị) tăng lên, còn chiều rộng của miền cấm giảm đi. Do đó tính dẫn điện của
kim loại, chất bán dẫn tăng khi nhiệt độ tăng. Đặc điểm nổi bật của chất bán dẫn là điện
trở suất giảm khi nhiệt độ tăng.
Muốn cho electron chuyển từ miền hóa trị lên miền dẫn phải cung cấp cho
electron một năng lƣợng tối thiểu bằng chiều rộng của miền cấm. Để các electron di
chuyển trong miền cho phép chỉ cần một năng lƣợng nhỏ (khoảng 10-22 eV).
Các miền năng lƣợng đƣợc hình thành là do bên trong vật rắn có điện trƣờng tuần hoàn.
Trƣờng này tạo nên do các nút mạng tinh thể phân bố có trật tự trong không gian.[2].
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
5
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
CHƢƠNG II. CHẤT BÁN DẪN.
1. CHẤT BÁN DẪN TINH KHIẾT:
1
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
2
Hình 2.1. Giản đồ mạng tinh thể bán dẫn Ge thuần.
1. Điện tử và lỗ trống trong vùng hóa trị.
2. Điện tử trong vùng dẫn.
Trong chất bán dẫn tinh khiết, các electron và lỗ trống đƣợc tạo ra chỉ do sự đứt
các liên kết. Vì vậy, mật độ electron bằng với mật độ lỗ trống. Dòng điện tạo ra bởi
electron và lỗ trống. Electron và lỗ trống đƣợc gọi là hạt mang điện cơ bản. Sở dĩ,
electron và lỗ trống đều là hạt mang điện cơ bản là vì:
Khi một electron nhận đƣợc năng lƣợng kích hoạt (năng lƣợng tối thiểu cần cung
cấp để electron chuyển từ miền hóa trị lên miền dẫn) thì nó chuyển từ miền hóa trị lên
miền dẫn. Khi nó rời khỏi miền hóa trị hoàn toàn bị chiếm đầy, nó tạo thành một điện
tích dƣơng trong miền này. Ta xem nhƣ miền hóa trị xuất hiện một mức năng lƣợng còn
trống. Mức năng lƣợng này gọi là lỗ dƣơng (lỗ trống).
Khi electron chuyển lên miền dẫn thì các electron trong miền này thay đổi trạng
thái của mình tạo thành dòng điện, gọi là sự dẫn điện bằng electron. Còn sự xuất hiện lỗ
trống trong miền hóa trị làm cho các electron trong miền hóa trị nhảy vào lỗ trống đó và
lại tạo ra một lỗ trống tức là làm cho các electron này thay đổi trạng thái mặc dù chúng
không chuyển lên miền dẫn. Sự chuyển động của các electron này (hay sự chuyển động
của lỗ trống theo hƣớng ngƣợc lại) gọi là sự dẫn điện bằng lỗ trống.
Trong tự nhiên có nhiều chất bán dẫn. Các chất bán dẫn thƣờng dùng nhất là Ge,
Si. Khái niệm chất bán dẫn tinh khiết chỉ mang tính tƣơng đối. Thực tế, chúng ít nhiều có
lẫn tạp chất. Bởi vì một số loại tạp chất có ảnh hƣởng rất mạnh lên tính dẫn điện của một
chất bán dẫn.[1].
2. CHẤT BÁN DẪN PHA TẠP:
2.1. Chất bán dẫn loại n:
Pha một lƣợng rất nhỏ As vào khối bán dẫn tinh khiết Ge. Bán kính của nguyên tử
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
6
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
As gần bằng bán kính nguyên tử Ge nên có thể thay thế một nguyên tử Ge trong mạng
tinh thể. As có hóa trị 5. Bốn điện tử của Ge tạo thành 4 liên kết hóa trị. Một electron
thừa của As bị các nguyên tử Ge xung quanh hút nên liên kết yếu với nguyên tử của nó
(năng lƣợng liên kết giảm 256 lần, chỉ còn khoảng 0,015 eV).
Khi tăng nhiệt độ của tinh thể thì electron thừa này sẽ tách khỏi As trở thành
electron tự do. Khi đó, nguyên tử As trở thành ion dƣơng gắn chặt vào mạng tinh thể,
không tham gia dẫn điện.
Ge
Ge
Ge
Ge
1
Ge
Ge
As
Ge
2
Ge
Ge
Ge
Ge
Hình 2.2. Giản đồ mạng tinh thể bán dẫn Ge có pha tạp chất nhóm V (As).
1. Đôno bị ion hóa.
2. Điện tử thừa: dễ bức ra.
Theo thuyết miền năng lƣợng, ở nhiệt độ thấp các nối hóa trị đều có năng lƣợng
nằm trong miền hóa trị. Chỉ có electron thừa của As có năng lƣợng ED nằm trong miền
cấm và cách đáy miền dẫn một khoảng năng lƣợng nhỏ chừng 0,015 eV. Miền này gọi là
miền tạp chất.
ED = 0,015 eV
Hình 2.3. Các mức năng lƣợng trong chất bán dẫn loại n.
Các mức năng lƣợng nằm trong miền tạp chất gọi là mức cho. Các nguyên tử tạp
chất này gọi là nguyên tử cho (đôno). Năng lƣợng cần thiết để lấy electron thừa ra khỏi
nguyên tử nhỏ hơn năng lƣợng miền cấm nhiều. Nhƣ vậy, ta cần năng lƣợng ít hơn năng
lƣợng miền cấm để đƣa các electron này lên miền dẫn. Ngay ở nhiệt độ thƣờng, các
electron trong miền tạp chất dễ dàng nhảy lên miền dẫn để tham gia sự dẫn điện. Tuy
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
7
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
nhiên, các electron này không tạo ra lỗ trống trong miền hóa trị nên nồng độ electron lớn
hơn nồng độ lỗ trống. Hạt mang điện cơ bản là electron nên sự dẫn điện gọi là sự dẫn
điện bằng electron. Chất bán dẫn có số electron trong miền dẫn nhiều hơn số lỗ trống
trong miền hóa trị gọi là chất bán dẫn loại n.
2.2. Chất bán dẫn loại p:
Pha một lƣợng rất nhỏ In vào khối bán dẫn Ge tinh khiết. Bán kính nguyên tử In
gần bằng bán kính nguyên tử Ge. Do In có hóa trị 3 nên để liên kết với 4 nguyên tử Ge nó
phải nhận thêm 1 electron từ nguyên tử Ge kế cạnh.
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
In
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
2
1
Hình 2.4. Giản đồ mạng tinh thể bán dẫn Ge pha tạp chất nhóm III (In).
1. Acxepto bị ion hóa.
2. Lỗ trống thừa: dễ bứt ra.
Ta có thể xem nhƣ In mang một lỗ trống. Một electron của Ge sẽ tham gia vào liên
kết nếu nhận đủ năng lƣợng cần thiết (khoảng 0,015 eV). Khi đó, tại chỗ mà nó vừa rời
khỏi lại bị một electron hóa trị Ge nhảy vào chiếm chỗ tạo nên lỗ trống.
Theo thuyết miền năng lƣợng, ở nhiệt độ thấp tất cả các điện tử đều có năng lƣợng
trong miền hóa trị. Một electron của Ge có năng lƣợng trong miền hóa trị nhƣng không
tạo nối với In. Giữa In và Ge này ta có một trạng thái năng lƣợng trống có năng lƣợng E A
nằm trong dãy cấm và cách đỉnh miền hóa trị một khoảng năng lƣợng nhỏ chừng 0,015
eV. Miền năng lƣợng này cũng gọi là miền tạp chất. Các mức năng lƣợng nằm trong
miền này gọi là các mức nhận. Các nguyên tử tạp chất gọi là nguyên tử nhận (acxepto).
EA = 0,015 eV
Hình 2.5. Các mức năng lƣợng trong chất bán dẫn loại p.
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
8
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
Năng lƣợng cần thiết để lắp chỗ trống nhỏ hơn năng lƣợng cần thiết đƣa electron
vƣợt miền cấm.
Khi tăng nhiệt độ tinh thể sẽ có một số electron trong dãy hóa trị nhận năng lƣợng
và vƣợt dãy cấm lên dãy dẫn điện. Đồng thời ngay ở nhiệt độ thƣờng các electron hóa trị
của dãy hóa trị có đủ năng lƣợng để nhảy lên miền cấm. Các quá trình này làm xuất hiện
lỗ trống trong miền hóa trị nhƣng không tạo ra electron dẫn. Nhƣ vậy nồng độ lỗ trống
lớn hơn nồng độ electron. Hạt mang điện cơ bản là lỗ trống. Sự dẫn điện này gọi là sự
dẫn điện bằng lỗ trống. Chất bán dẫn có số lỗ trống trong dãy hóa trị nhiều hơn số
electron trong dãy dẫn điện gọi là chất bán dẫn loại p.
2.3. Lớp chuyển tiếp p-n:
Ta xét xem hiện tƣợng gì sẽ xảy ra khi đƣa chất bán dẫn loại n tiếp xúc với chất
bán dẫn loại p.
Phần lớn các dụng cụ bán dẫn thƣờng bao gồm các miền loại p và loại n nối tiếp
nhau. Lớp chuyển tiếp giữa 2 miền đó tạo ra đặc trƣng điện có ích.
Đặt hai bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc nhau. Các electron khuếch tán từ vùng n
sang vùng p. Đồng thời các lỗ trống khuếch tán từ vùng p sang vùng n. Trong khi di
chuyển, các electron và lỗ trống có thể tái hợp với nhau. Tại mặt phân cách hình thành
một lớp mỏng gọi là lớp chuyển tiếp p-n.
Ở gần lớp chuyển tiếp chất bán dẫn loại n xuất hiện một lớp điện tích dƣơng và
năng lƣợng electron ở lớp này giảm. Ở chất bán dẫn loại p xuất hiện một lớp điện tích âm
và năng lƣợng electron của lớp này tăng.
Ở gần lớp chuyển tiếp p-n mật độ điện tích đa số giảm đi, bé hơn mật độ pha tạp.
Ở các vị trí cố định, điện tích của tạp chất không bị trung hòa hình thành một miền điện
tích không gian cố định.
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
9
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
- +
p
- +
n
- +
- +
n
p
Vùng dẫn
EF
Eg
Vùng hóa trị
Hình 2.6. Sơ đồ các mức năng lƣợng trong vùng dẫn
và vùng hóa trị trong lớp chuyển tiếp p-n.
Tại gần bề mặt tiếp xúc sẽ còn lại các ion âm của nguyên tử nhận trong vùng p và ion
dƣơng của nguyên tử cho trong vùng n tạo ra một điện trƣờng Etx tại nơi tiếp xúc chống
lại sự khuếch tán của các hạt dẫn đa số nhƣng lại tăng cƣờng sự di chuyển của hạt dẫn
thiểu số. Etx có chiều từ n sang p.
Gọi ic là dòng điện tạo nên do các hạt mang điện cơ bản (electron và lỗ trống). ic
hƣớng từ p sang n.
Dƣới tác dụng của điện trƣờng Etx các hạt mang điện không cơ bản rơi từ mức
năng lƣợng cao xuống mức năng lƣợng thấp, tạo thành dòng điện ik ngƣợc chiều với dòng
điện khuếch tán ic sao cho dòng điện trung bình tổng hợp triệt tiêu.
i = ic - ik = 0
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
10
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
Etx
- +
p
- +
n
ic
ik
Hình 2.7. Lớp chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng.
Để giữ đƣợc cân bằng, thông lƣợng tổng cộng của lỗ trống và electron phải bằng
0. Thông lƣợng khuếch tán của mỗi loại phần tử tải điện của lớp chuyển tiếp p-n đúng
bằng và ngƣợc với thông lƣợng của mỗi phần tử tải điện do điện trƣờng gây ra.
Thông lƣợng tổng cộng các lỗ trống:
Thông lƣợng electron:
Với n: nồng độ electron;
p: nồng độ lỗ trống;
Dp:: hệ số khuếch tán của lỗ trống;
Dn: hệ số khuếch tán của electron;
µn: độ linh động của electron;
µp: độ linh động của lỗ trống;
k: hằng số Boltzmann;
EF: mức Fermi.
Theo lý thuyết thống kê Fecmi_Dirac xác suất mà một trạng thái điện tử có năng lƣợng E
bị chiếm bởi 1 electron:
Mức Fecmi là trạng thái năng lƣợng mà ở đó xác suất chiếm trạng thái năng lƣợng bởi
một electron đúng bằng 1/2.
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
11
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
f(EF) = 1/2
EF
Ec
Ev
Hình 2.8. Mức Fecmi trong mô hình những mức năng lƣợng của lớp chuyển tiếp p-n.
Độ lớn của rào điện thế phụ thuộc vào chiều của điện trƣờng ngoài đặt vào hai
bán dẫn. Ta đặt cực âm vào chất bán dẫn loại n và cực dƣơng vào chất bán dẫn loại p
(phân cực nghịch).
- +
P
- +
n
- +
+
-
Hình 2.9. Sơ đồ các mức năng lƣợng trong vùng dẫn và vùng
hóa trị trong lớp chuyển tiếp p-n khi phân cực nghịch.
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
12
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
Hàng rào thế hạ xuống tại nơi tiếp xúc nghĩa là năng lƣợng electron trong chất bán
dẫn loại n tăng và trong chất bán dẫn loại p giảm. Nhƣ vậy có nhiều hạt mang điện cơ bản
vƣợt qua nên rào thế dòng ic tăng trong khi ik không thay đổi.
Dòng điện tổng cộng tại nơi tiếp xúc i = ic - ik có chiều từ p sang n, i tăng thì hiệu
thế tăng.
Trƣờng hợp chiều điện trƣờng ngoài trùng với chiều của điện trƣờng ở lớp chuyển
tiếp p-n. Ta đặt cực âm vào chất bán dẫn loại p và cực dƣơng vào chất bán dẫn loại n
(phân cực thuận). Electron trong bán dẫn loại n và lỗ trống trong bán dẫn p bị “hút” lại
phía điện cực, khiến cho tại bờ miền điện tích không gian xuất hiện những ion mới lấn
sâu vào bán dẫn n và p. Độ cao hàng rào thế tăng lên và dòng điện không thể đi qua lớp
tiếp xúc đƣợc. Dòng điện đi qua lớp tiếp xúc chỉ còn dòng ik rất bé. Dòng điện tổng cộng
i có chiều từ p sang n và không phụ thuộc vào thế.
p
-
+
-
+
n
- +
-
+
n
p
Vùng dẫn
Vùng hóa trị
EF
Eg
Hình 2.10. Sơ đồ các mức năng lƣợng trong vùng dẫn và
vùng hóa trị trong lớp chuyển tiếp p-n khi phân cực thuận.
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
13
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
p
-
+
-
+
-
+
n
ik
Nhƣ vậy lớp chuyển tiếp p-n có tính chất chỉnh lƣu: nó chỉ cho dòng điện đi theo
một chiều.
Bằng kỹ thuật Epitaxi ngƣời ta chế tạo ra lớp chuyển tiếp p-n (nối p-n) đƣợc mô
tả nhƣ sau:
Trƣớc tiên ngƣời ta dùng một thân Si-n+ (nghĩa là pha khá nhiều phân tử cho).
Si-n+
Trên thân này ngƣời ta phủ một lớp cách điện SiO2 và một lớp vecni nhạy sáng.
SiO2
Si-n+
Xong, ngƣời ta đặt lên lớp vecni một mặt nạ lỗ trống rồi dùng một bức xạ để chiếu
lên mặt nạ. Vùng vecni bị chiếu sáng có thể rửa đƣợc bằng một loại axit và chừa ra một
phần Si-n+. Phần còn lại vẫn đƣợc phủ vecni.
Phần SiO2 bị rửa mất
SiO2
SiO2
Si-n+
Xuyên qua phần không phủ vecni, ngƣời ta cho khuếch tán các nguyên tử acxepto
vào thân Si-n+, để biến một vùng của thân này thành Si-p. Sau cùng, ngƣời ta phủ kim
loại lên các vùng p và n+ và hàn dây nối ra ngoài. Ta đƣợc một nối p-n có mặt nối giữa
vùng p và n+ thẳng.[3].
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
14
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
CHƢƠNG 3. HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN
(HIỆN TƢỢNG QUANG DẪN).
Hiệu ứng quang điện đƣợc Héc phát hiện ra đầu tiên năm 1887, sau đó việc nghiên
cứu chi tiết hiện tƣợng đã đƣợc Xtô-lê-tốp (Stoletov) tiến hành vào những năm 1888 –
1889, rồi đến Lê-na (Lénard) năm 1889-1902 và nhiều nhà thực nghiệm khác vào những
năm 90 của thế kỉ XIX. Đến đầu thế kỉ XX các định luật quang điện đã đƣợc thiết lập.
Hiệu ứng quang điện là một hiện tƣợng điện - lƣợng tử, trong đó các điện tử đƣợc
thoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thƣờng) sau khi hấp
thụ năng lƣợng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sáng trạng thái kích
thích làm bắn electron ra ngoài.[6].
1. HIỆN TƢỢNG.
Khi bề mặt của một tấm kim loại đƣợc chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn
một tần số ngƣỡng (tần số ngƣỡng này là giá trị đặc trƣng cho chất làm nên tấm kim loại
này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lƣợng từ các photon và bật ra khỏi bề mặt kim loại. Khi
các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài
(external photoelectric effect).
Ở một số chất khác, khi đƣợc chiếu sáng với tần số vƣợt trên tần số ngƣỡng, các
điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện
tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiệu ứng quang
điện trong (external photoelectric effect). Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất
dẫn điện của vật dẫn. Do đó, ngƣời ta còn gọi hiện tƣợng này là hiện tƣợng quang dẫn.
Khi chiếu các bức xạ điện từ vào các chất bán dẫn, nếu năng lƣợng của photon đủ
lớn và lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất, năng lƣợng này sẽ giúp cho điện tử dịch
chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, do đó làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn
(độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên do chiếu sáng). Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra
các cặp điện tử - lỗ trống cũng làm thay đổi cơ bản tính chất điện của bán dẫn. Hiệu ứng
này đƣợc sử dụng trong photodiode, phototransitor, pin quang điện,...
2. CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN VÀ GIẢI THÍCH.
2.1. Các định luật quang điện.
Định luật I:
Đối với mỗi kim loại xác định, hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi bƣớc sóng λ
của chùm ánh sáng chiếu tới nó nhỏ hơn một giá trị xác định λ0 gọi là “giới hạn quang
điện” của kim loại đó.
λ < λ0
Giới hạn quang điện λ0 phụ thuộc vào bản chất kim loại đƣợc chiếu sáng, ngoài ra
nó còn phụ thuộc vào trạng thái mặt ngoài của kim loại đó. Nếu chùm ánh sáng tới có
bƣớc sóng không thích hợp ( λ > λ0) thì nó không thể gây ra hiện tƣợng quang điện.
Định luật II:
Cƣờng độ dòng điện bão hòa Ibh (nghĩa là số electron đƣợc giải phóng ra khỏi
kim loại trong một đơn vị thời gian) tăng tỉ lệ thuận với cƣờng độ sáng của chùm sáng
chiếu tới kim loại.
Định luật III:
Động năng cực đại của các quang electron tăng tỉ lệ với tần số f của chùm ánh
sáng chiếu tới nó và không phụ thuộc vào cƣờng độ sáng của chùm ánh sáng đó.
2.2. Giải thích các định luật quang điện.
Theo thuyết sóng (thuyết điện tử về ánh sáng):
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
15
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
Theo thuyết điện tử về ánh sáng, năng lƣợng ánh sáng đƣợc truyền đi liên tục
theo sóng ánh sáng và cƣờng độ ánh sáng càng lớn thì năng lƣợng ánh sáng mang theo
càng nhiều. Nhƣ vậy, dù ánh sáng có bƣớc sóng lớn nhƣ thế nào đi nữa, nhƣng nếu có
cƣờng độ lớn thì nó sẽ cung cấp đƣợc nhiều năng lƣợng cho electron và do đó sẽ giải
phóng đƣợc electron khỏi kim loại. Vì thế thuyết sóng không thể giải thích đƣợc vì sao có
“giới hạn quang điện”, cũng nhƣ không thể giải thích đƣợc tại sao có động năng cực đại
ban đầu của các quang electron. Hơn nữa, theo thuyết điện tử về ánh sáng, từ khi ánh
sáng rọi tới kim loại đến khi có các quang electron đầu tiên xuất hiện phải mất một
khoảng thời gian mấy chục phút. Nhƣng thí nghiệm chứng tỏ là thời gian đó rất bé
(không quá 10-9s). Đó là những bất lực của thuyết điện tử về ánh sáng trong việc giải
thích hiện tƣợng quang điện.
Theo thuyết lượng tử năng lượng của Plăng:
Năm 1990, Plăng đã giả thuyết: Lƣợng năng lƣợng mà mỗi lần một nguyên tử
hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng hv; trong đó v là
tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay đƣợc phát ra; còn h là một hằng số.
Theo thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein (Anhxtanh) (1905):
Dựa vào thuyết lƣợng tử năng lƣợng của Plăng, Albert Einstein đã phát triển thành
thuyết lƣợng tử ánh sáng (hay còn gọi là thuyết phôtôn) để lý giải hiện tƣợng quang điện.
Nội dung cơ bản nhƣ sau:
Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn. Mỗi phôtôn có tần số sẽ tƣơng ứng với
một lƣợng tử năng lƣợng có năng lƣợng
( là tần số của sóng ánh sáng tƣơng ứng
với phôtôn đó; h là hằng số Planck và có giá trị
). Cƣờng độ chùm
sáng tỉ lệ với số phôtôn trong một giây.
Phân tử, nguyên tử, electron.. phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa
là chúng hấp thụ hay phát xạ phôtôn.
Các phôtôn chuyển động với vận tốc c = 3.108 m/s trong chân không.
Năng lƣợng mà điện tử hấp thụ đƣợc sẽ đƣợc dùng cho 2 việc:
- Thoát ra khỏi liên kết với bề mặt kim loại (vƣợt qua công thoát )
- Cung cấp cho điện tử một động năng ban đầu Ek max=
Nhƣ vậy, theo định luật bảo toàn năng lƣợng, ta có thể viết phƣơng trình:
hf= + Ek max
Do động năng luôn mang giá trị dƣơng, do đó, hiệu ứng này chỉ xảy ra khi:
hf
hf0
Có nghĩa là hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi f f0
f0 = /h chính là giới hạn quang điện của kim loại.
3. HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG HAI MỨC NĂNG
LƢỢNG.
Xét một hệ hai mức năng lƣợng điện tử E1 và E2 trong đó E1 > E2 nhƣ hình 3.1a.
Bình thƣờng điện tử chiếm mức năng lƣợng thấp hơn E1. Khi chiếu sáng hệ thống,
lƣợng tử ánh sáng - photon - có năng lƣợng hv (h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng)
bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lƣợng E2. Phƣơng trình cân bằng năng lƣợng
có dạng:
hv = E2 - E1
(3.1)
Trong các vật rắn, do tƣơng tác rất mạnh của các hạt tinh thể lên điện tử vành ngoài,
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
16
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
nên các mức năng lƣợng của nó bị tách ra nhiều mức năng lƣợng con rất sát nhau và tạo
thành các vùng năng lƣợng. Vùng năng lƣợng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi trạng thái
cân bằng gọi là vùng hóa trị mà bờ trên của nó có năng lƣợng Ev. Vùng năng lƣợng phía
trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bờ dƣới của
vùng năng lƣợng là Ec. Cách ly giữa hai vùng giá trị và vùng dẫn là một vùng cấm có độ
rộng năng lƣợng Eg, trong đó không có năng lƣợng cho phép nào của điện tử (hình3.1b).
Khi chiếu sáng vật rắn có cấu trúc vùng năng lƣợng nói trên, photon có năng lƣợng
hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để
trở thành điện tử tự do e-, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi nhƣ “hạt” mang
điện dƣơng nguyên tố, kí hiệu h+. Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá
trình dẫn điện.
E2
Ec
hv
hv
Ev
E1
a. Hai mức năng lƣợng.
o
Vùng
dẫn
Eg
Vùng hóa trị
b. Hai vùng năng lƣợng.
Hình 3.1. Các quá trình lƣợng tử trong hệ hai mức (a) và hai vùng năng lƣợng (b).
Điều kiện để phân tử có thể hấp thụ năng lƣợng của photon và chuyển từ vùng hóa
trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là
. Từ đó có thể
tính đƣợc bƣớc sóng λc của ánh sáng để có thể tạo cặp
Trong đó năng lƣợng đƣợc tính bằng eV.
Trong thực tế hạt dẫn kích thích
đều tự phát tham gia quá trình “ hồi
phục”, chuyển động tới bờ của các vùng năng lƣợng điện tử
giải phóng năng lƣợng để
chuyển động tới bờ vùng dẫn , còn lỗ trống
tới bờ
(hình 3.1b). Quá trình hồi
-12
-1
phục xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10 ÷ 10 giây và gây ra dao động mạnh.
Năng lƣợng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là:
.
Tóm lại, khi chiếu sáng vật rắn, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lƣợng photon
hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống
, tức là đã tạo ra
một điện thế. Hiện tƣợng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong.
4. HIỆU SUẤT CỦA QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI QUANG ĐIỆN.
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
17
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
Ta có thể xác định đƣợc giới hạn lý thuyết của hiệu suất η biến đổi năng lƣợng
quang điện của hệ thống hai mức:
∫
[
∫
]
Trong đó J0 (λ) là mật độ photon có bƣớc sóng λ; J0(λ)dλ là tổng số photon tới bƣớc sóng
trong khoảng λ
λ + dλ;
là năng lƣợng của photon. Tử số của (3.3) là năng lƣợng hữu
ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình quang điện còn mẫu số là tổng năng
lƣợng của các photon tới hệ. Nhƣ vậy, η là một hàm số của Eg (Vì
cũng là hàm số của
Eg) nhƣ đƣợc trình bày trong hình 3.2.
N (hv)
η
0,5
0,4
0,33
0,3
0,2
0,44
0,1
0,23
0
1
2
0
Eg(eV)
Hình 3.2. Hiệu suất biến đổi quang điện
phụ thuộc vào độ rộng
vùng cấm của vật liệu.
1
2
3
hv(eV)
Hình 3.3. Năng lƣợng tổn hao và hiệu suất
biến đổi quang điện của Si.
Ta thấy trên hình, η có một cực đại
xung quanh giá trị Eg = 1,5 eV
Kết quả này có tính tổng quát và áp dụng cho hệ hai mức năng lƣợng bất kỳ.
Năng lƣợng tổn hao trong quá trình biến đổi quang điện do hai nguyên nhân:
- Các photon có năng lƣợng hv < Eg hay
không bị điện tử hấp thụ để tạo cặp
mà truyền qua vật rắn.
- Do quá trình hồi phục, điện tử và lỗ trống giải phóng năng lƣợng
cho
mạng tinh thể vật rắn để tới đáy các vùng năng lƣợng.
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
18
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
Luận văn tốt nghiệp
Khảo sát đặc tính kỹ thuật pin quang điện
Đối với bán dẫn silicon Si, Eg = 1,16 eV, tính toán cho thấy 23% mất mát năng
lƣợng do photon truyền qua, 33% bị mất do quá trình hồi phục của
và
tới các bờ
vùng Ec và Ev nhƣ đƣợc chỉ ra trên hình 3.3. Nhƣ vậy, đối với quá trình quang điện trên
vật liệu Si thì η 0,04.
5. SỰ TẠO THÀNH HÀNG RÀO THẾ NĂNG.
Từ trên ta thấy rằng khi đƣợc chiếu sáng trong vật rắn có thể tạo ra các cặp điện từ
và lỗ trống và
liên kết yếu với nhau. Để có thể tạo ra dòng điện, trƣớc hết cần
tách
và
khỏi liên kết cặp và sau đó bắt chúng chuyển động có hƣớng. Hiệu ứng
này có thể thực hiện nhờ một điện trƣờng E nào đó, ví dụ nhƣ sử dụng điện trƣờng định
xứ trên lớp tiếp xúc pn giữa hai loại bán dẫn.
Hình 3.4 là các sơ đồ vùng năng lƣợng của hai loại bán dẫn p và n. Trong bán dẫn
loại n, mật độ hạt dẫn điện tử nn rất lớn hơn mật độ lỗ trống pn (nn >> pn). Vì vậy ngƣời ta
gọi hạt điện tử là hạt dẫn cơ bản, còn lỗ trống gọi là hạt dẫn không cơ bản. Một cách gần
đúng thì mật độ điện tử nn gần bằng mật độ tạp chất nguyên tử Donor ND đƣợc pha vào
bán dẫn tinh khiết. Còn trong bán dẫn loại p, lỗ trống lại là hạt dẫn cơ bản. Mật độ lỗ
trống pp lại rất lớn hơn mật độ electron np, pp>> np độ dẫn điện chủ yếu do lỗ trống có
mật độ pp, nó gần bằng mật độ nguyên tử tạp chất Acceptor NA đƣợc pha vào bán dẫn
Etx
tinh khiết.
Ec
+ + +
+ +
Ec
VD
EF
Eg
EF
EF
Ev
Ev
Hình 3.4. Bán dẫn loại n và p trƣớc khi tiếp Hình 3.5. Sự tạo thành lớp tiếp bán dẫn pn.
xúc (electron ký hiệu bằng chấm đen, lỗ
trống – vòng tròn nhỏ).
Về mặt năng lƣợng, sự pha các tạp chất Donor và Acceptor vào bán dẫn tinh khiết
đã làm xuất hiện các mức năng lƣợng tạp chất trong vùng cấm: các mức tạp Donor nằm
sát dƣới đáy vùng dẫn Ec trong bán dẫn loại n, đƣợc biểu thị bằng các dấu “+” trong hình
3.4. Ngƣợc lại, các mức tạp Acceptor lại nằm sát đỉnh vùng hóa trị trong bán dẫn loại p
và đƣợc biểu thị bằng dấu “-”.
Khi cho các bán dẫn n và p tiếp xúc nhau, tạo ra một tiếp xúc điện tử pn, do chênh
lệch về mật độ hạt dẫn, các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang bán dẫn p, còn lỗ
GVHD: Ths.Lê Văn Nhạn
19
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Huyền
