LUẬN văn sư PHẠM vật lý PIN QUANG điện và ỨNG DỤNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ – CÔNG NGHỆ

PIN QUANG ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG

Giảng viên hướng dẫn:
Ths. GVC Phạm Văn Tuấn

Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Thị Diệu Hiền
MSSV: 1070363
ớ : SP V t
– ng Nghệ

Tháng 04 năm 2011


LỜI CẢM ƠN


Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Văn Tuấn đã tận tình
hƣớng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận
văn tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Văn Nhạn và thầy
Dƣơng Quốc Chánh Tín 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.
Đồng cảm ơn các bạn sinh viên lớp Sƣ phạm Vật lý – Công
nghệ K33 đã nhiệt tình giúp đỡ để tôi có thêm tài liệu để hoàn
thành đề tài luận văn của mình.
Xin kính chúc sức khỏe thầy và các bạn thân mến!
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Diệu hiền


MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài ............................................................................. 1
2. Giới hạn đề tài................................................................................. 1
3. Mục đích nghiên cứu ....................................................................... 2
4. Nhiệm vụ nghiên cứu ....................................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu................................................................. 2
6. Các giai đoạn thực hiện đề tài ......................................................... 2
7. Các chữ viết tắt trong đề tài .…………………………………………...2
PHẦN NỘI DUNG.………………………………………………………….3
A. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ………………….………………………… 3
Chƣơng I: NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ............................................. 3
1.1 Mặt trời, cấu tạo Mặt trời ............................................................. 3
1.2. Năng lượng Mặt trời .................................................................... 5
1.3. Phổ bức xạ Mặt Trời..................................................................... 7
1.4. Bức xạ Mặt Trời ........................................................................... 9
Chƣơng II. PIN MẶT TRỜI .............................................................. 11
2.1. Hiệu ứng quang – điện .............................................................. 11

2.1.1. Hiện tượng ............................................................................... 11
2.1.2. Các đ nh lu t quang điện và gi i thích .................................... 12
2.1.3. Hiệu ứng quang điện trong hệ thống hai mức năng lượng ....... 13
2.1.4. Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện ........................... 14
2.1.5. Sự tạo thành hàng rào thế năng ............................................... 15
2.1.6. Tính chỉnh lưu của lớp tiếp xúc bán dẫn .................................. 17
2.1.7. Đường đặc trưng VA sáng – sự tạo dòng quang điện .............. 18


2.2. Pin Mặt Trời .............................................................................. 21
2.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời................... 21
2.2.2. Các đặc trưng điện của pin Mặt Trời ...................................... 22
2.2.2.1. Sơ đ tương đương ............................................................... 22
2.2.2.2. Dòng đo n mạch ISC ............................................................. 23
2.2.2.3. Thế h mạch VOC .................................................................. 23
2.2.2.4. Đi m làm việc c ng suất cực đại PM ..................................... 25
2.2.2.5. Các điều iện về t i tiêu thụ điện .......................................... 26
2.2.2.6. Các tham số nh hư ng đến chế độ làm việc và hiệu suất củ
pin Mặt Trời ..................................................................................... 28
2.2.2.7. Hiệu suất biến đổi quang – điện của pin Mặt Trời.............. 29
2.2.3. Nguyên lý của pin Mặt Trời nhiều mức năng lượng................. 30
2.3. C ng nghệ chế tạo pin Mặt Trời ................................................. 32
2.4. Các v t liệu và pin Mặt Trời v đ nh hình .................................. 40
2.4.1. V t liệu pin Mặt Trời ............................................................... 40
2.4.2. V t liệu pin Mặt Trời màng mỏng ............................................ 41
2.4.2.1. Pin Mặt Trời v đ nh hình Si (a-Si) ...................................... 43
2.4.2.2. Pin Mặt Trời v d nh hình bán dẫn hợp chất ........................ 45
2.4.2.3. Pin Mặt Trời trên cơ s v t liệu CuInSe 2 .............................. 46
2.4.2.4. Pin Mặt Trời trên cơ s v t liệu CdTe (CdTe) ...................... 46
Chƣơng III: HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN PIN MẶT TRỜI .............. 47

3.1. Hệ thống ngu n điện pin Mặt Trời tổng quát ............................. 47
3.2. Dàn pin Mặt Trời........................................................................ 48
3.2.1. Ghép nối tiếp các modun Mặt Trời giống nhau ....................... 49


3.2.2. Ghép nối tiếp các modun Mặt Trời h ng giống nhau ............. 50
3.2.3. Ghép song song các modun Mặt Trời giống nhau ................... 51
3.2.4. Ghép song song các modun Mặt Trời h ng giống nhau ......... 52
3.2.5. Các th ng số ỹ thu t của modun Mặt Trời ............................. 54
3.3. Tích trữ năng lượng trong hệ thống năng lượng pin Mặt Trời ... 55
3.3.1. Acquy chì – axit ....................................................................... 55
3.3.1.1. Các ph n ứng hóa học trong acquy axit ............................... 56
3.3.1.2. Chu trình phóng điện ............................................................ 56
3.3.1.3. Chu trình nạp điện ................................................................ 57
3.3.2. Các đặc trưng của acquy axit – chì ......................................... 57
3.3.2.1. Dung d ch của acquy ............................................................ 57
3.3.2.2. Thời gian sống chu trình ....................................................... 58
3.3.2.3. Thế của acquy và thế phóng điện .......................................... 60
3.3.2.4. Khối lượng riêng của dung d ch điện phân ........................... 62
3.3.2.5. Đi m đóng của dung d ch điện phân ..................................... 63
3.3.2.6. Hiện tượng tự phóng điện của acquy .................................... 63
3.3.3. Các loại axit hác .................................................................... 63
3.3.3.1. Acquy niken – cadmi (Ni-Cd)................................................ 63
3.3.3.2. Acquy niken – sắt ( Ni – Fe).................................................. 64
3.3.4. Các hư hỏng thường gặp

acquy ............................................ 65

3.3.4.1. Nạp quá no ........................................................................... 65
3.3.4.2. Nạp chưa đủ ......................................................................... 65

3.3.4.3. Các cựa và đầu dây b ăn mòn và han gỉ .............................. 66
3.3.4.4. Đo n mạch ........................................................................... 66


3.3.4.5. Sulfat hóa.............................................................................. 66
3.3.4.6. Sự mất nước .......................................................................... 67
3.3.5. B o dưỡng và an toàn cho acquy ............................................. 67
3.3.5.1. Bổ sung thêm nước ............................................................... 67
3.3.5.2. Ki m tra trạng thái nạp điện cho acquy ................................ 67
3.3.5.3. Nạp điện cân bằng ................................................................ 67
3.3.5.4. Các tai nạn có th x y ra hi làm việc với acquy .................. 67
Chƣơng IV: THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT CÁC HỆ NĂNG LƢỢNG PIN
MẶT TRỜI........................................................................................ 69
4.1. Các th ng số cần thiết đ thiết ế hệ ngu n điện pin Mặt Trời ... 70
4.1.1. Yêu cầu và đặt trưng của t i tiêu thụ ....................................... 70
4.1.2. V trí lắp đặt hệ năng lượng ..................................................... 71
4.1.2.1. Bức xạ Mặt Trời ................................................................... 71
4.1.2.2. Góc nghiêng của dàn pin Mặt Trời ....................................... 72
4.1.2.3. Nhiệt độ làm việc của pin Mặt Trời ...................................... 73
4.2. Các bước thiết ế và tính toán hệ năng lượng pin Mặt Trời ....... 73
4.2.1. Lựa chọn sơ đ

hối ................................................................ 73

4.2.2. Tính toán các thành phần trong hệ ngu n ............................... 74
4.2.3. Các bộ điều phối năng lượng................................................... 77
4.2.3.1. Bộ điều hi n nạp – phóng điện (BĐK) ................................ 77
4.2.3.2. Đối với bộ đổi điện DC – AC ................................................ 78
4.2.4. Các chỉ th ............................................................................... 79
4.2.5. Các diot b o vệ ........................................................................ 79

4.2.6. Hộp nối và dây nối điện ........................................................... 79


4.3. Lắp đặt hệ thống ngu n điện pin Mặt Trời ................................ 80
4.3.1. Đ nh hướng tấm pin Mặt Trời.................................................. 80
4.3.2. Nối đất và chống sét ................................................................ 81
4.4. B o dưỡng .................................................................................. 82
4.4.1. Ki m tra bộ acquy (cho tất c các acquy) ................................ 82
4.2.2. Ki m tra dàn pin Mặt Trời ....................................................... 82
Chƣơng V: CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ TRONG HỆ NGUỒN PIN MẶT
TRỜI ................................................................................................. 84
A – ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ ............................................................ 84
5.1. Điều hi n năng lượng trong hệ thống pin Mặt Trời độc l p ..... 84
5.2. Các loại điều hi n cơ b n ......................................................... 85
5.2.1. Nguyên lý tự điều hi n ........................................................... 85
5.2.2. Bộ điều hi n song song .......................................................... 86
5.2.3. Bộ điều hi n nối tiếp .............................................................. 88
5.2.4. Bộ điều hi n nối tiếp dùng rơle cơ điện ................................. 89
5.2.5. Mạch cầu điện tử tự động ........................................................ 91
B – ĐIỀU PHỐI NĂNG LƢỢNG ..................................................... 91
5.3. Đặc tính của các t i thu thế và thu dòng .................................... 92
5.3.1. T i điện là các bộ thu điện thế ................................................. 92
5.3.2. T i điện là các bộ thu dòng ..................................................... 93
5.4. Bộ biến đổi DC – DC.................................................................. 93
5.4.1. Các bộ hạ thế ........................................................................... 93
5.4.2. Bộ tăng thế DC – DC ............................................................... 95
5.4.3. Thiết ế bộ biến đổi DC – DC.................................................. 96


5.5. Bộ duy trì đi m c ng suất cực đại .............................................. 97

Chƣơng VI: PHÂN TÍCH KINH TẾ ............................................... 100
6.1. Phí ban đầu và chi phí hàng năm ............................................. 100
6.1.1. Chi phí ban đầu ..................................................................... 100
6.1.2. Chi phí hàng năm .................................................................. 100
6.2. Một số đ nh nghĩa ..................................................................... 101
6.3. Tính toán giá tr hiện tại ........................................................... 102
6.4. Việc hoàn thành các ho n nợ thành các ho n hoàn tr bằng nhau
........................................................................................................ 102
6.5. Tiết iệm từ năng lượng Mặt Trời hàng năm ............................ 103
6.6. Tiết iệm nhiên liệu tích lũy và tiết iệm tuần hoàn .................. 104
6.7. Thời hạn hoàn vốn .................................................................... 108
6.8. Nh n xét và ết lu n ................................................................. 109
B. ỨNG DỤNG THỰC TIỄN ……………………………………..109
PHẦN KẾT LUẬN ......................................................................... 115
1. Kết qu đạt được của đề tài ......................................................... 115
2. Hạn chế của đề tài ....................................................................... 115
3. Dự đ nh trong tương lai ............................................................... 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................... 116


Luận văn tốt nghiệp

Pin quang điện và ứng dụng

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
- Ngày nay, mọi phương tiện đời sống xã hội (XH) đều có xu hướng phát triển
theo hướng công nghiệp hoá (CNH) - hiện đại hoá (HĐH), mở cửa hội nhập với cộng
đồng Quốc Tế rộng lớn và cơ chế thị trường cạnh tranh quyết liệt, cùng với sự phát
triển vượt bậc khoa học kỹ thuật (KHKT) công nghệ thông tin, thì tri thức và kỹ năng

ứng dụng tri thức của con người chiếm một vị trí vô cùng quan trọng, được xem là một
yếu tố quyết định cho sự phát triển của XH theo xu hướng phát triển chung của thế
giới.
- Trong xu hướng CNH – HĐH như hiện nay việc sử dụng năng lượng sạch,
không ô nhiễm môi trường là rất quan trọng và cần thiết. Khoa học kỹ thuật ngày càng
phát triển đòi hỏi con người cũng phải thay đổi theo xu hướng thời đại để tiếp thu
những ứng dụng của khoa học kỹ thuật vào đời sống và sinh hoạt hằng ngày.
- Trong thế kỷ qua, nguồn năng lượng hóa thạch (hay còn gọi nguồn năng lượng
truyền thống) là nguồn năng lượng quan trọng nhất, đáp ứng hơn 85% nhu cầu năng
lượng cho sự vận hành nền kinh tế, chủ yếu là điện năng, nhiệt năng và nhu cầu nhiên
liệu động cơ cho mọi hoạt động con người. Chính vì thế, nguồn năng lượng này đã giữ
một địa vị thống trị cho đến ngày nay.
- Tuy nhiên, đây là nguồn năng lượng hữu hạn, trong điều kiện KHKT phát triển
như vũ bão hiện nay thì sự cạn kiệt của năng lượng hóa thạch dẫn đến sự tranh giành
những tài nguyên môi trường, những ứng dụng của vật lý vào kỹ thuật (KT) không
những tạo ra những phương pháp sản xuất mới, dẫn tới năng suất lao động cao mà
nhiều khi còn thay đổi cơ bản chức năng của con người và máy móc trong quá trình
sản xuất và sự cạn kiệt của chúng đang được dự báo bởi nhiều tính toán khoa học. Hơn
thế nữa, một vấn đề quan trọng khác mang tính thách thức toàn nhân loại, đó là nguồn
năng lượng hóa thạch đã bọc lộ nhược điểm của mình. Sự phát thải CO2 trong khi sử
dụng, đã gây ra hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng lên, dẫn đến hiện tượng biến đổi
khí hậu toàn cầu. Trước tình hình trên, đòi hỏi phải có một nguồn năng lượng mới thay
thế cho nguồn năng lượng này.
- Từ những yêu cầu trên làm em rất muốn đi sâu thêm để nghiên cứu đề tài: “Pin
Quang Điện và Ứng Dụng” .
2. Giới hạn đề tài
Đề tài này nghiên cứu pin quang điện và ứng dụng của pin quang điện.

GVHD: Ths.Phạm Văn Tuấn

1

SVTH: Nguyễn Thị Diệu Hiền


Luận văn tốt nghiệp

Pin quang điện và ứng dụng

3. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu lý luận, lý thuyết về Pin Mặt Trời và Ứng Dụng. Kiến thức Vật lý
có ý nghĩa thực tiễn, có nhiều ứng dụng trong thực tiễn.
- Từ vấn đề lý luận xây dựng các bước thực hành.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về pin năng lượng Mặt Trời và một số ứng dụng
của pin Mặt Trời.
- Nghiên cứu về nội dung và nguyên lý hoạt động “Pin Quang Điện và Ứng
Dụng”.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết “Pin Mặt Trời và Ứng Dụng” từ những giáo trình, nghiên
cứu sách, những trang web, các sách hướng dẫn và các tài liệu liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu kinh nghiệm của các thầy, mạch điện thực tế và các đoạn video có
liên quan.
6. Các giai đoạn thực hiện đề tài
- Giai đoạn 1: Trao đổi với thầy hướng dẫn về tài liệu nghiên cứu, nhận đề tài.
- Giai đoạn 2: Viết đề cương, 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: Hoàn chỉnh đề tài báo cáo thử.
- Giai đoạn 6: Bảo vệ luận văn.

7. Các chữ viết tắt trong đề tài
- Pin Mặt trời: PMT
- Hiện đại hóa: HĐH
- Kỹ thuật: KT

- Công nghiệp hóa: CNH
- Khoa học kỹ thuật: KHKT
- Xã hội: XH

- BĐK: BĐK

GVHD: Ths.Phạm Văn Tuấn

2

SVTH: Nguyễn Thị Diệu Hiền


Luận văn tốt nghiệp

Pin quang điện và ứng dụng

PHẦN NỘI DUNG
A. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chƣơng I: NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
1.1 Mặt trời, cấu tạo Mặt Trời
Mặt Trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,4.106 km (lớn hơn 110 lần
đường kính Trái Đất), cách xa Trái Đất 150.106 km. Khối lượng Mặt Trời khoảng
M0= 2.1030 kg. Nhiệt độ trung tâm Mặt Trời thay đổi từ 10.106 K đến 20.106 K, trung
bình khoảng 1560000K. Ở nhiệt độ như vậy, vật thể không thể giữ được cấu trúc thông

thường gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân
nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va chạm
với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật chất
nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của Mặt Trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng
có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng Mặt Trời.
Cũng giống như Trái Đất, Mặt Trời cũng có nhiều lớp khác nhau tạo nên cấu
trúc của nó. Nhưng Mặt Trời không giống Trái Đất ở chỗ, nó hoàn toàn là một quả cầu
khí, không có một bề mặt chất rắn nào cả. Mặc dù Mặt Trời hoàn toàn được tạo ra
bằng các khí, nhưng tỷ trọng và nhiệt độ của các khí có sự khác biệt rất lớn từ phần
trung tâm cho đến phần xa nhất. Ở phần trung tâm của Mặt Trời, tỷ trọng bằng 150
gam/cm3 (gấp 10 lần tỷ trọng của vàng hoặc chì). Càng xa trung tâm Mặt Trời, nhiệt
độ và tỷ trọng càng giảm.
Mặt trời có cấu tạo gồm 3 phần: Phần lõi, bức xạ và tầng đối lưu
- Phần lõi: Phần lõi của Mặt trời là khu vực trung tâm, có độ dày gần bằng 25 %
bán kính Mặt Trời, là nơi các phản ứng hạt nhân tổng hợp hyđro để hình thành Heli.
Những phản ứng này giải phóng năng lượng mà về sau nó đi ra khỏi mặt trời dưới
dạng các ánh sáng nhìn được. Tại đây, trọng lực sẽ hút tất cả mọi vật hướng vào trong
và tạo ra một áp lực rất lớn. Chính áp lực này đã tác động khiến cho các nguyên tử khí
Hyđro kết hợp với nhau để tạo ra phản ứng hạt nhân. Hai nguyên tử Hyđro được kết
hợp để tạo ra nguyên tử Heli – 4 và năng lượng theo các bước sau:
a. Hai proton kết hợp với nhau tạo ra một Đơteri (nguyên tử Hyđro kết hợp
với một nơtron), một pozitron (phần rất nhỏ của vật chất có điện tích dương và có cùng
khối lượng với electron) và một nơtrinô.
b. Một proton kết hợp với một nguyên tử Đơteri để tạo ra một nguyên tử.
c. Heli – 3 (hai proton kết hợp với một nơtron) và một tia gam - ma.
d. Hai nguyên tử Heli – 3 phản ứng với nhau tạo thành một Heli – 4
(hai proton và hai nơtron) và hai proton.
GVHD: Ths.Phạm Văn Tuấn
3
SVTH: Nguyễn Thị Diệu Hiền

Luận văn tốt nghiệp

Pin quang điện và ứng dụng

Những phản ứng này tạo ra 85% nguồn năng lượng Mặt trời, 15% còn lại được
tạo ra từ các phản ứng dưới đây:
a. Một nguyên tử Heli – 3 và một nguyên tử Heli – 4 kết hợp với nhau tạo
thành một nguyên tử Berili – 7 (bốn proton và 3 nơtron) và một tia gamma.
b. Một Berili – 7 hút một electron để tạo thành một Lithi – 7 (ba proton
và bốn nơtron) và một nơtrinô.
c. Một Lithi – 7 kết hợp với một proton tạo thành hai nguyên tử Heli – 4.
Nguồn năng lượng được phát ra dưới nhiều dạng ánh sáng (tia cực tím, các tia X,
ánh sáng có thể nhìn thấy được, tia hồng ngoại, các sóng ngắn và sóng radio). Mặt
Trời cũng phát ra các hạt mang năng lượng (nơtron và proton) tạo ra gió Mặt Trời.
Nguồn năng lượng chiếu xuống Trái Đất giúp sưởi ấm hành tinh này, tác động lên sức
khỏe của con người và cung cấp các nguồn năng lượng cho đời sống. Chúng ta hầu
như không bị các bức xạ và gió Mặt Trời làm hại bởi vì đã có bầu khí quyển bảo vệ.
- Tầng bức xạ: là phần tiếp theo phần lõi, chiếm 55% bán kính Mặt Trời. Ở khu
vực này, năng lượng từ phần lõi được truyền đi xa hơn nhờ các photon (lượng tử ánh
sáng). Khi một lượng tử ánh sáng được hình thành, nó sẽ di chuyển được khoảng 1
micromet (một phần triệu mét) trước khi bị hút bởi các nguyên tử khí. Sau khi hút các
photon, các phân tử khí sẽ bị đốt nóng và lại tiếp tục phát ra các lượng tử ánh sáng
khác với bước sóng tương tự. Các lượng tử ánh sáng được tái phát đó cũng đi thêm
được một quãng đường là 1 m và cũng bị các phân tử khí khác hấp thụ, chu trình này
được lặp lại liên tục, mỗi sự tương tác giữa lượng tử ánh sáng và các phân tử khí đều
mất một lượng thời gian nhất định. Quá trình hấp thụ và tái phát này diễn ra khoảng
1025 lần trước khi một lượng tử ánh sáng đi đến được bề mặt, vì vậy khoảng thời gian
để một lượng tử ánh sáng được tạo ra ở phần lõi và sau đó đi đến được bề mặt là rất

đáng kể.
- Tầng đối lưu: nằm trong khoảng 30% bán kính còn lại, nơi có các dòng đối
lưu hoạt động và mang năng lượng đi ra khỏi bề mặt của Mặt trời. Các dòng đối lưu
này làm tăng hoạt động của các khí nóng bên cạnh đó làm giảm hoạt động của các
dòng khí lạnh. Các dòng đối lưu mang các lượng tử ánh sáng ra khỏi bề mặt của Mặt
Trời nhanh hơn quá trình chuyển giao các bức xạ xảy ra giữa phần lõi và phần bức xạ.
Với rất nhiều sự tương tác diễn ra giữa các lượng tử ánh sáng và phân tử khí trong các
tầng bức xạ và tầng đối lưu, một lượng tử ánh sáng mất gần 100000 đến 200000 năm
để tới bề mặt.

GVHD: Ths.Phạm Văn Tuấn

4

SVTH: Nguyễn Thị Diệu Hiền


Luận văn tốt nghiệp

Pin quang điện và ứng dụng

Phía trên bề mặt của Mặt Trời là bầu khí quyển bao gồm 3 phần:
Phần quyển sáng: là khu vực thấp nhất trong bầu khí quyển Mặt trời mà tại đó
có thể nhìn thấy Trái đất, rộng khoảng 300 – 400km và có nhiệt độ trung bình là
5.800K. Nó xuất hiện dưới dạng bong bóng hoặc kết tạo thành hạt, giống với bề mặt
của một bình nước đang sôi. Khi đi ra khỏi quyển sáng thì nhiệt độ sẽ giảm và các khí
sẽ trở nên lạnh hơn, do vậy nó không phát ra nguồn năng lượng ánh sáng nữa. Vì thế,
rìa ngoài cùng của quyển sáng sẽ tối lại và một hiệu ứng rìa tối đã chiếm toàn bộ phần
xung quanh Mặt trời.
Phần quyển sắc: nằm phía trên và cách phần quyến sáng khoảng 2000km, Nhiêt

độ chảy dọc phần quyển sắc tăng từ 4500K đến 10000K. Người ta cho rằng phần
quyển sắc bị đốt nóng là do sự đối lưu xảy ra phía dưới tầng quyển sáng. Khi các chất
khí chuyển động hỗn loạn trong vùng quyển sáng, chúng sẽ tạo ra các sóng làm đốt
nóng các khí xung quanh và phóng chúng vào vùng quyển sắc dưới dạng các tia khí
nóng nhỏ gọi là các gai nhỏ. Mỗi cái gai cách quyển sáng khoảng 5000km và tồn tại
một vài phút. Những cái gai này cũng kéo theo sau một đường từ trường của Mặt Trời
mà nó được tạo ra bởi sự chuyển động của các khí bên trong Mặt Trời.
Vầng hào quang: là lớp cuối cùng của Mặt Trời và trải dài hàng triệu km phía
ngoài vùng quyển sáng. Chúng ta có thể quan sát nó rõ nhất vào thời điểm nhật thực và
trong các bức ảnh của mặt trời được chụp bằng tia X. Nhiệt độ của quầng trung bình là
2 triệu độ K, mặc dù không có ai có thể giải thích vì sao quầng lại nóng như vậy,
nhưng theo một số phỏng đoán thì nguyên nhân là do từ tính Mặt Trời. Vầng quầng có
những khu vực sáng và nóng cũng như nhưng khu vực tối gọi là các lỗ vòng hoa. Các
lỗ vòng hoa tương đối lạnh và được xem là nơi hình thành các phân tử gió Mặt Trời.
1.2. Năng lượng Mặt trời
Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt
Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra.
Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời
hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa.
Về mặt vật chất thì Mặt Trời chứa đến 78,4% khí hydro (H2), heli (He) chiếm
19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%.
Năng lượng do Mặt Trời búc xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ. Mỗi giây trôi
qua, Mặt Trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,865.10 26 J, tương đương với
năng lượng đốt cháy 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn. Nhưng bề mặt Quả Đất chỉ nhận
được một năng lượng rất nhỏ và bằng 17,57.1016 J hay tương đương năng lượng đốt
cháy của 6.106 tấn than đá.
GVHD: Ths.Phạm Văn Tuấn

5

SVTH: Nguyễn Thị Diệu Hiền


Luận văn tốt nghiệp

Pin quang điện và ứng dụng

R0 = 1.4x106 km
M = 1.989x1027 tấn
106 K
10-14 g/cm2

Hình 1.1. Cấu trúc của Mặt Trời

Năng lượng khổng lồ từ Mặt Trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng
nhiệt hạt nhân. Theo thuyết tương đối của Einstein và qua phản ứng nhiệt hạch hạt
nhân khối lượng có thể chuyển thành năng lượng. Nhiệt mặt ngoài của Mặt Trời
khoảng 6000K, còn ở bên trong Mặt Trời có thể lên đến hàng triệu độ. Áp suất bên
trong Mặt Trời cao hơn 340.108MPa. Do nhiệt độ và áp suất bên trong Mặt Trời cao
như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lượng rất
lớn. Chúng va chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân. Người ta đã
xác định được nguồn năng lượng Mặt Trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây
ra. Đó là phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân cacbon và nitơ (C – N) và phản ứng
hạt nhân proton – proton.
a. Quá trình phản ứng tuần hoàn C – N:
Quá trình có thể mô tả như sau:
- Hạt nhân C 612 va chạm với một proton tạo ra đồng vị N 713 và độ hụt khối  m1.
Năng lượng tương ứng với độ hụt khối sẽ là  E1 =  m1.c2 với c = 300.000 km/s là
vận tốc ánh sáng trên không.
- Đồng vị N 713 không bền lại biến thành đồng vị C 613 và phát ra một positron.

- Đồng vị C 613 va chạm với một proton tạo ra đồng vị N 714 và tia  là năng lượng
điện từ có bước sóng rất ngắn,  E2.
- Đồng vị N 714 va chạm với một proton tạo ra đồng vị oxy O815 không bền và độ
hụt khối  m2 biến thành năng lượng  E3 cũng dưới dạng tia  .
- Đồng vị O815 biến đổi thành N 715 và phát ra một positron.
- Cuối cùng đồng vị N 715 va chạm với một proton biến thành C 612 và một hạt  ,
He24 .

GVHD: Ths.Phạm Văn Tuấn

6

SVTH: Nguyễn Thị Diệu Hiền


Luận văn tốt nghiệp

Pin quang điện và ứng dụng

Như vậy ta thấy sau chuỗi phản ứng nói trên, hạt nhân C 612 lại trở về đồng vị C 612 .
Điều đó có nghĩa là phản ứng hạt nhân C – N có tính tuần hoàn. Trong quá trình phản
ứng một lượng hydro bị tiêu hao và chuyển thành năng lượng.
b. Phản ứng tuần hoàn proton – proton có thể viết như sau:
H11  H11  D12  e    h
D12  H11  D23  

He13  He23  He24  2H11

Trong đó D12 là đồng vị hydro nặng (còn gọi là đơtri); e+ là positron; h là năng
lượng của hạt ánh hay photon; He13 ; He23 và He24 là các đồng vị của hạt nhân Heli.

Cả hai loại phản ứng nói trên đều có kết quả chung là phản ứng kết hợp bốn hạt
nhân nguyên tử hydro để tạo ra hạt nhân nguyên tử heli (hạt  ). Ta biết khối lượng
của hạt nhân hydro hay proton và Heli là: m p  1,672.10 24 g
m  6,644.10 24 g

Từ đó độ hụt khối  m của phản ứng kết quả sẽ là:

m  4.m p  m   0,044.10 24 g

Hay bằng 0,7 % tổng khối lượng của 4 proton. Từ biểu thức của Einstein
E =  m1.c2 ta tính được bằng năng lượng được giải phóng ra khi 1g hạt nhân tạo phản
ứng sẽ là 9.1013J. Như vậy khi có 1g proton tham gia phản ứng hạt nhân thì tiêu hao
mất 0,7 %g và phát ra một năng lượng là:
9.1013J x 0,7 % = 6,3.1011J
Như trên đã cho thấy, mỗi giây Mặt Trời bức xạ một năng lượng là 3,8.1026J.
Như vậy trong mỗi giây lượng nhiên liệu Hydro tham gia phản ứng là
(3,8.1026/6,3.1011) = 6,03.108 tấn. Tổn thất khối lượng thực tế là:
6,03.108 x 0,7 % = 4,22.106 tấn/giây.
Như đã nói ở trên, khối lượng của Mặt Trời xấp xỉ 2.1027tấn. Như vậy để Mặt
Trời chuyển hóa hết khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là
15.1013năm. Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng lượng Mặt Trời là khổng lồ và lâu dài.
1.3. Phổ bức xạ Mặt Trời
Bức xạ Mặt Trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình truyền các dao động
điện từ trường trong không gian. Trong quá trình truyền sóng, các vectơ cường độ điện
trường và cường độ từ trường luôn luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương
truyền của sóng điện từ. Quãng đường mà sóng điện từ truyền được sau một chu k
dao động điện từ được gọi là bước sóng  .
GVHD: Ths.Phạm Văn Tuấn

7

SVTH: Nguyễn Thị Diệu Hiền


Luận văn tốt nghiệp

Pin quang điện và ứng dụng

Trong chân không vận tốc truyền của sóng điện từ gần đúng bằng c = 3.10 8 m/s.
còn trong môi trường vật chất, vận tốc truyền của sóng nhỏ hơn và bằng  
đó n gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trường, với n

c
, trong
n

1. Các sóng điện từ có bước

-7

sóng trải dài trong một phạm vi rất rộng từ 10 nm (nano met) đến hàng nghìn km.

Hình 1.2. Thang s ng điện t của bức xạ Mặt Trời.

Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng khoảng 400 nm đến 700 nm, chỉ chiếm một
phần nhỏ của phổ bức xạ Mặt Trời. Cần chú ý rằng, mặc dù có cùng bản chất là sóng
điện từ nhưng các loại sóng điện từ có bước sóng  khác nhau thì gây ra các tác dụng
lý học, hóa học và sinh học rất khác nhau. Nói riêng trong vùng nhìn thấy được, sự
khác nhau về bước sóng gây cho ta cảm giác màu sắc khác nhau của ánh sáng. Khi đi
từ bước sóng dài  = 700 nm đến giới hạn sóng ngắn  = 400 nm ta nhận thấy màu

sắc của ánh sáng thay đổi liên tục từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Mắt người
nhạy nhất đối với ánh sáng màu vàng có bước sóng  = 580 nm. Sự phân bố năng
lượng đối với các bước sóng khác nhau cũng khác nhau.
Quang phổ
Tia vũ trụ
Tia X
Tia tử ngoại C
Tia tử ngoại B
Tia tử ngoại

M t đ năng lượng
(W/m2)

ước sóng

T lệ

< 1 nm
0,1 nm
0,2 ÷ 0,28  m
0,28 ÷ 0,32  m
0,32 ÷ 0,4  m

6,978.10-5
6,978.10-7
7,864.106
2,122.101
8,073.101

0,57

1,55
5,90

0,40 ÷ 0,52  m
0,52 ÷ 0,62  m
0,62 ÷ 0,78  m

2,240.102
1,827.102
2,280.102

16.39
13,36
16,68

Tia hồng ngoại

0,78 ÷ 1,40  m
1,40 ÷ 3,00  m
3,00 ÷ 100,00  m

4,125.102
1,836.102
2,637.101

30,18
13,43
1,93

Sóng vô tuyến điện

0,10 ÷ 10,00 cm
10,00 ÷ 100,00 cm
1,00 ÷ 10,00 m

6,978.10-9
6,978.10-10
6,978.10-9

Tia nhìn thấy

ng 1.1. Ph n bố ph bức xạ Mặt Trời theo bư c s ng.
GVHD: Ths.Phạm Văn Tuấn

8

SVTH: Nguyễn Thị Diệu Hiền


Luận văn tốt nghiệp

Pin quang điện và ứng dụng

Bảng 1.1 cho thấy quan hệ giữa mật độ năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc
vào bước sóng của nó. Qua đó ta thấy rằng mật độ năng lượng bức xạ Mặt Trời chủ
yếu phân bố trong dãy bước sóng từ  = 0,2  m (tử ngoại C, tỷ lệ mật độ năng lượng
0,57%) đến  = 3,0  m (hồng ngoại, tỷ lệ mật độ năng lượng 1,93 %), còn ngoài vùng
đó mật độ năng lượng không đáng kể.
Như vậy, khi bức xạ Mặt Trời đi qua tầng khí quyển bao quanh Quả Đất, nó bị
các phân tử khí, các hạt bụi, ... hấp thụ hoặc bị làm phát xạ, nên phổ và năng lượng

Mặt Trời khi đến bề mặt Quả Đất bị thay đổi rất đáng kể.
Còn bảng 1.2 là quan hệ màu sắc của ánh sáng và bước sóng của nó.
Màu sắc

ước sóng nm

ng sóng nm

Đỏ

700

640 ÷ 760

Da cam
Vàng
Xanh
Lam
Tím

620
580
510
470
420

600 ÷ 640
550 ÷ 600
480 ÷ 550
450 ÷ 480

400 ÷ 420

ng 1.2. Màu sắc và bư c s ng của ánh sáng Mặt Trời.
1.4. ức xạ Mặt Trời
Là dòng vật chất và năng lượng của Mặt Trời tới Trái Đất, nguồn năng lượng
chính cho các quá trình trên Trái Đất. Gồm bức xạ hạt và bức xạ điện từ:
a. Bức xạ hạt chủ yếu gồm các proton và điện tử, ở gần Trái Đất có vận tốc tới
300 – 1.500 km/s và mật độ 5 – 80 ion/cm3, nếu hoạt động Mặt Trời tăng có thể lên tới
103 ion/cm3. Năng lượng bức xạ hạt của Mặt Trời thường thấp hơn năng lượng bức xạ
nhiệt 107 lần, và thâm nhập vào tầng khí quyển không quá 90km.
b. Bức xạ điện từ, khi tới bề mặt Trái Đất, có hai dạng: bức xạ trực tiếp và bức
xạ khuếch tán. Có bước sóng từ bức xạ gamma đến sóng vô tuyến với năng lượng cực
đại ở vùng quang phổ nhìn thấy. Khi qua khí quyển Trái Đất, các bức xạ sóng ngắn có
hại cho sự sống hầu như bị lớp ozon hấp thụ hoàn toàn. Ngày nay do công nghiệp phát
triển, các chất CFC thải vào khí quyển đang phá huỷ lớp ozon, tạo ra nguy cơ bức xạ
sóng ngắn sẽ tiêu diệt sự sống trên Trái Đất nếu mất đi lớp ozon.
Năng lượng bức xạ Mặt Trời thường biểu diễn bằng cal/cm2.min.
Ở giới hạn trên của khí quyển, bức xạ Mặt Trời khoảng 2 cal/cm2.min (hằng số
Mặt Trời); có phổ nằm trong dải bước sóng 0,17 – 4μm với cực đại ở khoảng 0,475μm.
Toàn bộ Trái Đất nhận được từ Mặt Trời 2,4.1018cal/min, gồm 48 % năng lượng thuộc
dải phổ ánh sáng nhìn thấy được (λ = 0,4 - 0,76μm), 7% tia cực tím (λ < 0,4μm) và
GVHD: Ths.Phạm Văn Tuấn

9

SVTH: Nguyễn Thị Diệu Hiền


Luận văn tốt nghiệp

Pin quang điện và ứng dụng

45% thuộc dải phổ hồng ngoại (λ > 0,76μm). Trong khí quyển, bức xạ Mặt Trời một
phần bị các đám mây phản xạ, một phần bị hấp thụ biến thành nhiệt, một phần bị các
phân tử, các tạp chất khuếch tán thành bức xạ khuếch tán chiếu sáng mặt đất về ban
ngày. Bức xạ Mặt Trời tới được mặt đất, một phần bị phản xạ lại, một phần được hấp
thụ làm nóng mặt đất và lớp nước bên trên. Năng lượng bức xạ Mặt Trời đang được
nghiên cứu ứng dụng cho sản xuất và đời sống. Đó là nguồn năng lượng rất có triển
vọng của tương lai: sạch và nguồn có sẵn. Tuy nhiên giá sử dụng bức xạ Mặt Trời còn
cao vì công nghệ tập trung và biến đổi bức xạ Mặt Trời còn kém hiệu quả.

GVHD: Ths.Phạm Văn Tuấn

10

SVTH: Nguyễn Thị Diệu Hiền


Luận văn tốt nghiệp

Pin quang điện và ứng dụng

Chƣơng II. PIN MẶT TRỜI
Năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng sạch và có thể coi là vô tận. Một
trong các kỹ thuật sử dụng năng lượng Mặt Trời là sản xuất điện năng – điện Mặt Trời.
Để sản xuất điện Mặt Trời người ta sử dụng hai công nghệ: nhiệt Mặt Trời và pin
quang điện. Trong công nghệ thứ nhất, năng lượng Mặt Trời được hội tụ nhờ các hệ
thống gương hội tụ (như máng parabol, gương cầu, ...) để tập trung ánh sáng Mặt Trời
thành các nguồn nhiệt có mật độ năng lượng và do đó có nhiệt độ rất cao, có thể làm
bốc hơi nước ở nhiệt độ và áp suất lớn và sau đó làm quay các tuabin để sản xuất ra

điện năng. Còn trong công nghệ pin Mặt Trời, năng lượng Mặt Trời được trực tiếp
biến đổi thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là các pin
Mặt Trời, được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn điện. Các pin Mặt Trời sản xuất ra điện
năng một các liên tục chừng nào còn có bức xạ Mặt Trời tới nó. Các hệ thống năng
lượng pin Mặt Trời rất đơn giản, không có phần chuyển động, không đòi hỏi phải bảo
dư ng chăm sóc thường xuyên như các hệ thống Mặt Trời khác ... nên các hệ thống
khác rất được 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 nước công
nghiệp phát triển trên thế giới.
Dưới đây chúng ta sẽ nghiên cứu công nghệ pin Mặt Trời.
2.1. Hiệu ứng quang – điện
Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện – lượng tử, trong đó các điện tử
được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ.
2.1.1. Hiện tượng
Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn
hơn một tần số ngư ng (tần số ngư ng này là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm
kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh ra dòng điện
(gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có
hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect). Các điện tử không thể phát
ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngư ng bởi điện tử không được cung cấp đủ
năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát). Điện tử phát xạ ra
dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi
được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngư ng, 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)
GVHD: Ths.Phạm Văn Tuấn

11

SVTH: Nguyễn Thị Diệu Hiền


Luận văn tốt nghiệp

Pin quang điện và ứng dụng

chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiêu 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, người ta còn gọi hiện tượng này là hiện tượng quang dẫn.
Khi chiếu các bức xạ điện từ vào các chất bán dẫn, nếu năng lượng của photon
đủ lớn lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất, năng lượng 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 được sử dụng trong photodiode, phototransitor, pin Mặt Trời, ...
2.1.2. Các đ nh lu t quang điện và giải thích
Có nhiều người đưa ra các mô hình giải thích khác nhau về hiệu ứng quang điện
tuy nhiên đều không thành công do sử dụng mô hình sóng ánh sáng. Albert Einstein là
người giải thích thành công hiệu ứng quang điện bằng cách sử dụng mô hình lượng tử
ánh sáng. Heinrich Hertz và Stoletov là những người nghiên cứu chi tiết về hiệu ứng
quang điện và đã thành lập các định luật quang điện.
a. Ở mỗi tần số bức xạ và mỗi kim loại, cường độ dòng quang điện (cường độ
dòng điện tử phát xạ do bức xạ điện từ) tỷ lệ thuận với cường độ chùm sáng tới.
b. Với mỗi kim loại, tồn tại một tần số tối thiểu của bức xạ điện từ mà ở dưới
tần số đó, hiện tượng quang điện không xảy ra. Tần số này được gọi là tần số ngư ng,
hay giới hạn quang điện của kim loại đó.
c. Ở trên tần số ngư ng, động năng cực đại của quang điện tử không phụ
thuộc vào cường độ chùm sáng tới mà chỉ phụ thuộc vào tần số của bức xạ.

d. Thời gian trong quá trình từ lúc bức xạ chiếu tới và các điện tử phát ra là rất
ngắn, dưới 10-9 giây.
Albert Einstein đã sử dụng Thuyết lượng tử để lý giải hiện tượng quang điện.
Mỗi photon có tần số f sẽ tương ứng với một lượng tử năng lượng có năng lượng
ε = hf.
Ở đây, h là hằng số Planck.
Năng lượng mà điện tử hấp thụ được sẽ được dùng cho 2 việc:
Thoát ra khỏi liên kết với bề mặt kim loại (vượt qua công thoát Φ)
1
2

Cung cấp cho điện tử một động năng ban đầu E k max  mv 2
Như vậy, theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có thể viết phương trình:
hƒ = Φ + Ekmax

GVHD: Ths.Phạm Văn Tuấn

12

SVTH: Nguyễn Thị Diệu Hiền


Luận văn tốt nghiệp

Pin quang điện và ứng dụng

Do động năng luôn mang giá trị dương, do đó, hiệu ứng này chỉ xảy ra khi:
hƒ Φ = hƒo
có nghĩa là hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi ƒ ƒo
f0 = Φ / h chính là giới hạn quang điện của kim loại.

2.1.3. Hiệu ứng quang điện trong hệ thống hai mức năng lượng
Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1 và E2 trong đó E1 > E2 như hình 2.1a.
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi chiếu sáng hệ
thống, lượng tử ánh sáng – photon – có năng lượng h ( h là hằng số Planck,  là tần
số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2. Phương trình cân
bằng năng lượng có dạng:
h  E2  E1

(2.1)

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của các hạt 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 các vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm
đầy khi trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị mà bờ trên của nó có năng lượng E v .
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 lượng là E c . Cách ly giữa hai vùng giá trị và vùng
dẫn là một vùng cấm có độ rộng năng lượng E g , trong đó không có năng lượng cho
phép nào của điện tử (hình 2.1b).
Khi chiếu sáng vật rắn có cấu trúc vùng năng lượng nói trên, photon có năng
lượng h 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
như “hạt” mang điện dương nguyên tố, 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 bằng phương trình
Ev  h  e   h 

sau:

Vùng dẫn
Ec

E2

h

h

Ev

E1

.

Hình 2.1a Hai mức năng lượng

GVHD: Ths.Phạm Văn Tuấn

Eg

Vùng hóa trị
Hình 2.1b Hai v ng năng lư ng

13

SVTH: Nguyễn Thị Diệu Hiền


Luận văn tốt nghiệp

Pin quang điện và ứng dụng

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng
hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử – lỗ trống là h 

hc



 E g  Ec  Ev . Từ đó có

thể tính được bước sóng c của ánh sáng để có thể tạo cặp e   h 
c 

hc
hc 1,24


( m)
Ec  Ev E g
Eg

(2.2)

Trong đó năng lượng được tính bằng eV.
Trong thực tế hạt dẫn bị kích thích e  và h  đều tự phát tham gia quá trình “hồi
phục”, chuyển động tới bờ của các vùng năng lượng điện tử e  giải phóng năng lượng
để chuyển động tới bờ vùng dẫn E c , còn lỗ trống h  tới bờ E v (hình 2.1b). Quá trình
hồi phục xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 ÷ 10-1 giây và gây ra dao động
mạnh. Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là: hv  E g .
Tóm lại, khi chiếu sáng vật rắn, điện tử ở vùng hóa 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.
2.1.4. Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện
Từ các trình bày ở trên ta có thể xác định được giới hạn lý thuyết của hiệu suất 
biến đổi năng lượng quang điện của hệ thống hai mức:
c



E g  J 0 ( )d

(2.3)

0


 hc 
 J 0 ( )   d
0

Trong đó J 0 ( ) là mật độ photon có bước sóng  ; J 0 ( )d là tổng số photon
tới có bước sóng trong khoảng  ÷   d ;

hc



là năng lượng của photon. Tử số của

(2.3) 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 các photon tới hệ. Như vậy,  là một hàm số của
E g (vì c cũng là hàm số của E g ) như được trình bày trong hình 2.2.



GVHD: Ths.Phạm Văn Tuấn

14

SVTH: Nguyễn Thị Diệu Hiền


Luận văn tốt nghiệp

Pin quang điện và ứng dụng

Ta thấy trên hình,  có một cực đại  ma   0,44 xung quanh giá trị E g  1,5 eV.
Kết qủa này có tính tổng quát và áp dụng cho các hệ hai mức năng lượng bất k .
Năng lượng tổn hao trong quá trình biến đổi quang điện chủ yếu do hai nguyên
nhân sau:
- Các photon có năng lượng hv  E g hay   c không bị điện tử hấp thụ để tạo
cặp e   h  , mà truyền qua vật rắn.
- Do quá trình hồi phục, điện tử và lỗ trống giải phóng năng lượng E  hv  E g
cho mạng tinh thể vật rắn để tới đáy cùng vùng năng lượng.
Đối với bán dẫn silicon Si, E g  1,16 eV, tính toán cho thấy 23 % mất mát năng
lượng do photon truyền qua; 33 % bị mất do quá trình hồi phục của e  và h  tới các
bờ vùng E c và E v , như được chỉ ra trên hình 2.3. Như vậy, đối với quá trình quang
điện trên vật liệu Si thì   0,44 .
2.1.5. Sự tạo thành hàng rào thế năng
Từ trên ta thấy rằng khi được chiếu sáng trong vật rắn có thể 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 pn giữa hai
loại bán dẫn.
Hình 2.4 là các sơ đồ vùng năng lượng 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
người 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 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 pp 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 cceptor NA được pha
vào bán dẫn tinh khiết.

GVHD: Ths.Phạm Văn Tuấn

15

SVTH: Nguyễn Thị Diệu Hiền


Luận văn tốt nghiệp

Pin quang điện và ứng dụng

Về mặt năng lượng, sự pha các tạp chất Donor và cceptor 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 E C trong bán dẫn loại n, được biểu thị bán bằng các
dấu “+” trong hình 2.4. Ngược lại, các mức tạp cceptor lại nằm sát đỉnh vùng hóa trị
trong bán dẫn loại p và được biểu thị bằng dấu “−”.

Khi cho các bán dẫn n và p tiếp xúc với nhau, tạo ra một tiếp xúc điện tử pn, thì
do chênh lệch về mật độ hạt dẫn, các điện tử sẽ khuếch tán tử 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
với lớp tiếp xúc tích điện dương, còn phía bán dẫn loại p đối diện tích điện âm. Trong
miền tiếp xúc hình thành một điện trường tiếp xúc hướng từ bán dẫn n sang p ngăn cản
các quá trình 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 2.5 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:
U tx 

Và thế năng tiếp xúc
Vì

kT nn p p kT N d N a
ln 2 
ln
q
ni
q
ni2

qU tx  kT ln

nn pn
ni2

ni2  nn pn  p p n p  qU tx  kT ln

(2.4)
p
nn
 kT ln p
np
pn

Trong đó ni là mật độ điện tử dẫn trong bán dẫn chưa pha tạp chất, nó cũng bằng
mật độ lỗ trống pi;
T là nhiệt độ miền tiếp xúc pn;
k là hằng số Boltzmann và q là điện tích của điện tử.
Ở trạng thái cân bằng, độ cao hàng rào thế VD  qU tx có giá trị gần bằng độ rộng
vùng cấm Eg của vật liệu và điện trường tiếp xúc có gía trị khoảng Etx ~ 104 ÷ 105
V/cm3. Độ dày của lớp tiếp xúc W được xác định theo công thức:
W  Wn  W p 

2 0 N a  N d U tx
q2 Na  Nd

Trong đó Wn, Wp là các độ dày miền tiếp xúc ở phía bán dẫn n và p,  0 và  là
hằng số điện và hằng số điện môi của bán dẫn. Giá trị điển hình của W vào khoảng
0.1 ÷ 1 m . Chú ý rằng, điện trường và điện thế tiếp xúc chỉ tồn tại trong miền tiếp
xúc. Ngoài miền tiếp xúc tính chất của vật liệu không bị thay đổi.
GVHD: Ths.Phạm Văn Tuấn

16

SVTH: Nguyễn Thị Diệu Hiền

Luận văn tốt nghiệp

Pin quang điện và ứng dụng

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.
2.1.6. Tính chỉnh lưu của lớp tiếp xúc bán dẫn
Ta xét tính chất của lớp tiếp xúc khi chưa được chiếu sáng.
Đặt một nguồn thế ngoài vào một lớp tiếp xucspn và nghiên cứu sự phụ thuộc
của dòng điện qua lớp tiếp xúc vào hiệu điện đặt vào nó như hình 2.6.
Trước hết ta xét trường hợp nguồn thế ngoài phân cực ngược lớp tiếp xúc pn,
cực dương của nguồn ngoài đặt vào bán dẫn n, cực âm vào bán dẫn p (hình 2.6a). khi
đó, điện trường ngoài E0 và điện trường tiếp xúc Etx cùng chiều. Điện trường tổng hợp
E = Etx + E0 trên miền tiếp xúc rất lớn, hàng rào thế năng ở lớp tiếp xúc bị nâng cao
lên, do vậy nó càng ngăn không cho dòng các hạt tải điện cơ bản qua lớp tiếp xúc. Ở
trạng này, mặc dù dòng các hạt tải không cơ bản được gia tốc mạnh, nhưng do mật độ
nhỏ nên các dòng hạt cơ bản nhanh chóng đạt tới bảo hòa có giá trị rất nhỏ Is.
Đổi phân cực nguồn ngoài, tức là phân cực thuận lớp tiếp xúc pn (cực dương của
nguồn thế ngoài vào bán dẫn p, cực âm vào bán dẫn n). Khi đó điện trường ngoài và
điện trường tiếp xúc ngược chiều nhau, nên điện trường tổng hợp E = E 0 − Etx < Etx.
Kết quả là hàng rào thế ở miền tiếp xúc giảm hoặc bị khử hoàn toàn, dòng các hạt tải
điện có mật độ lớn qua lớp tiếp xúc tăng rất nhanh (theo định luật hàm số mũ – công
thức 2.5) theo hiệu điện thế ngoài. Hình 2.7 cho thấy hàng rào thế năng của các hạt cơ
bản ở miền tiếp xúc khi nó bị phân cực ngược và phân cực thuận.
Hình 2.8 cho đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của dòng diện qua lớp tiếp xúc
pn vào hiệu điện thế ngoài đặt vào nó khi lớp tiếp xúc không bị chiếu sáng và khi được
chiếu sáng. Đường cong khi lớp tiếp xúc không được chiếu sáng được gọi là đường
đặc trưng tối von - ampe(VA) của lớp tiếp xúc và nó được mô tả bằng phương trình
diot bán dẫn thông thường:
qV 


I d  I S exp
1
kT 


(2.5)

Trong công thức (2.5) Id là dòng qua lớp tiếp xúc pn;
IS là dòng điện ngược bão hòa;
V là hiệu điện thế đặt vào lớp tiếp xúc pn;
k là hằng số Boltzmann;
T là nhiệt độ của lớp tiếp xúc pn;
q là điện tích của điện tử.
Dòng điện ngược bão hòa IS phụ thuộc vào mật độ các hạt tải không cơ bản np,
pn vào độ khuếch tán Ln, Lp và thời gian sống  n , p của chúng theo biểu thức sau:
GVHD: Ths.Phạm Văn Tuấn

17

SVTH: Nguyễn Thị Diệu Hiền