Nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời

1.1.1 Nguyên tắc hoạt động của PMT
Một hệ PMT đơn giản bao gồm hai mối nối p - n (hình 1.1). Nguyên tắc hoạt
động cơ bản của PMT dựa trên hai cơ chế chính là hấp thụ ánh sáng tạo ra cặp điện tử
- lỗ trống và quá trình phân ly truyền dẫn hạt tải.

Hình Error! No text of specified style in document..1: Cấu tạo pin mặt trời đơn giản.
1.1.1.1 Hấp thu trong bán dẫn
Có hai loại hấp thu chính là hấp thu riêng của bán dẫn thuần và hấp thu tạp chất
của bán dẫn tạp chất.
Trong bán dẫn hình thành nên hai loại chuyển mức là chuyển mức thẳng và
chuyển mức xiên. Bán dẫn chuyển mức thẳng là bán dẫn có đỉnh vùng hoá trị và đáy
vùng dẫn cùng nằm trên cùng một số sóng k và hệ số hấp thu tương ứng là:





A(  E g )1/ 2

(1.1)


B(  E g ) 3 / 2

(1.2)



(Với A, B là hằng số phụ thuộc vào loại bán dẫn được khảo sát, ħω là năng
lượng photon tác động)
Bán dẫn chuyển mức xiên là bán dẫn có đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hoá trị

không cùng nằm trên một số sóng k. Bài toán hấp thu bây giờ không còn là bài toán
hai hạt (photon – electron) như chuyển mức thẳng mà là bài toán giữa ba hạt (photon –
electron – photon). Hệ số hấp thu của chuyển mức xiên được tính theo công thức
(1.3).

(  E g  E p ) 2 (  E g  E p ) 2
  A[

]
Ep
Ep
exp(
 1)
1  exp( 
)
KT
KT

(1.3)


Hình 1.2 là sơ đồ năng lượng các dạng chuyển mức.

Hình Error! No text of specified style in document..2: Sơ đồ năng lượng chuyển mức
(a) chuyển mức thẳng; (b) chuyển mức xiên trực tiếp; (c) chuyển mức xiên gián tiếp.
1.1.1.2 Quá trình phân ly và truyền dẫn điện tích.
Đối với PMT có cấu trúc chỉ là tiếp giáp p – n, điện tích được di chuyển trực
tiếp trong bán dẫn theo hình thức sau:
Ban đầu, trong bán dẫn xuất hiện trạng thái cân bằng thế hóa khi chưa được
chiếu sáng (bỏ qua nhiệt độ), nồng độ điện tử và lỗ trống bằng nhau. Khi bán dẫn

được chiếu sáng với năng lượng phù hợp, hiện tượng hấp thu tạo cặp điện tử – lỗ
trống sẽ xảy ra, lúc này trạng thái cân bằng sẽ bị phá vỡ. Điện tử được sinh ra và
chuyển lên mức vùng dẫn và tồn tại ở đó trong một thời gian nhất định gọi là thời gian
sống, tương tự lỗ trống cũng sẽ xuất hiện và tồn tại. Nồng độ điện tử – lỗ trống tăng
lên không ngừng khi được chiếu sáng làm cho mức Fermi có sự dịch chuyển sát hơn
về vùng dẫn (bán dẫn loại n) gọi là mức FFC, và về phía đáy vùng hóa trị (bán dẫn loại
p) gọi là mức FFV. Nồng độ điện tử trong vùng dẫn và nồng độ lỗ trống trong vùng hóa
trị được tính như công thức (1.4), (1.5), nồng độ điện tử – lỗ trống được cho bởi công
thức (1.6):

 E  E FC 
ne  N C exp  C

kT 


(1.4)

 E  EV 
nh  NV exp  FV

kT 


(1.5)


 E  E FV 
ne nh  ni2 exp FC


kT



(1.6)

Trong đó, hiệu năng lượng EFC - EFV là độ lệch khỏi trạng thái cân bằng của
chất bán dẫn và cũng chính là thế hóa e,h của cặp điện tử và lỗ trống (hóa năng của
một cặp điện tử – lỗ trống). Chất bán dẫn trong điều kiện cân bằng có hóa thế e,h = 0.
Khi chất bán dẫn hấp thu ánh sáng, hóa thế e,h ≠ 0.

Hình Error! No text of specified style in document..3: Hóa thế e,h của cặp điện tử và
lỗ trống.
Khi cho hai loại bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc với nhau, sự chênh lệch về
nồng độ hạt tải của bán dẫn loại p và n sẽ dẫn đến hiện tượng khuếch tán hạt dẫn đa số
của vùng này sang vùng bên cạnh (điện tử khuếch tán từ vùng n sang vùng p và lỗ
trống khuếch tán từ vùng p sang vùng n), tạo ra một điện trường khuếch tán. Nơi tiếp
xúc sẽ hình thành một vùng điện tích không gian được gọi là vùng nghèo. Điện trường
sinh ra trong vùng điện tích không gian sẽ gia tốc cho các hạt dẫn thiểu số ở mỗi vùng
đi sang vùng đối diện, sinh ra dòng điện trôi, đồng thời ngăn cản dòng khuếch tán.
Vùng điện tích không gian này sẽ càng mở rộng cho tới khi quá trình cân bằng tại mối
tiếp xúc được hình thành. Lúc này, dòng trôi sẽ bằng dòng khuếch tán. Ở điều kiện
cân bằng (nhiệt độ thấp, không chiếu sáng, không cấp dòng ngoài), dòng khuếch tán
lúc này bằng 0. Điều này có nghĩa là:
JQ = Je + Jh = 0

(1.7)

(Với JQ, Je, Jh tương ứng là mật độ dòng tổng cộng, mật độ dòng electron và
mật độ dòng lỗ trống)

Khi chuyển tiếp p - n được chiếu sáng, quá trình hấp thu xảy ra, điện tử và lỗ
trống được tạo ra liên tục. Lúc này, mức Fermi không còn là hằng số trong toàn hệ mà


sẽ tạo thành hai mức là EFC và EFV. Hình 1.4 biểu diễn hai mức Fermi EFC và EFV của
chuyển tiếp p - n trong trạng thái không cân bằng.
Lúc này, bên trong chuyển tiếp p - n sẽ tồn tại một lượng hóa năng là Ne,h - là
năng lượng tối đa mà chúng có thể cung cấp cho tải ngoài. Đây chính là quá trình hóa
năng chuyển thành điện năng. Do sự định hướng của điện trường vùng nghèo tại lớp
chuyển tiếp, các điện tử sẽ bị cuốn về vùng n còn lỗ trống sẽ bị cuốn về vùng p. Tại
đây, nhờ sự chênh lệch thế điện hóa giữa hai tiếp xúc khi chuyển tiếp p - n được nối
với điện cực, các điện tử được truyền ra ngoài tạo ra dòng điện qua tải. Như vậy,
chúng ta cần xác định rõ rằng điện trường tại lớp chuyển tiếp p - n chỉ đóng vai trò
phân ly các hạt tải bên trong chất bán dẫn, còn thế chênh lệch giữa hai tiếp xúc với
điện cực sẽ có nhiệm vụ truyền dẫn các hạt tải điện này ra ngoài.

Hình Error! No text of specified style in document..4: Cấu trúc năng lượng của tiếp
xúc p - n khi được chiếu sáng.


(Với qV là độ chênh lệch giữa hai mức Fermi,  là điện trường tại vùng điện
tích không gian trong điều kiện không cân bằng)
Khi chuyển tiếp p - n được chiếu sáng, các cặp điện tử - lỗ trống có thể được
sinh ra khắp nơi trong chất bán dẫn, tuy nhiên chỉ những cặp điện tử - lỗ trống được
sinh ra trong vùng nghèo và vùng lân cận (-Lh  x  Le) mới đóng góp vào việc hình
thành dòng điện ra tải ngoài [4].


1.1.2

Các thông số đặc trưng của PMT

1.1.2.1 Dòng đoản mạch (Jcs)
Dòng đoản mạch là dòng của hạt tải thiểu số bên trong PMT - hay dòng quang
điện và được tính theo công thức (1.8). Jsc là thông số quyết định hiệu suất của PMT
[2,4].

J CS  q  bs ( E )QE ( E )dE

(1.8)

(Trong đó: Jsc là mật độ dòng đoản mạch; q là điện tích nguyên tố; bs(E) là mật
độ quang thông của ánh sáng kích thích; QE(E) là hiệu suất lượng tử của PMT - là
xác suất mà một photon chiếu tới có khả năng sinh ra một electron cho mạch ngoài;
dE là năng lượng của photon kích thích tính trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị
thời gian)
1.1.2.2 Dòng tối (Jt)
Khi nối PMT với mạch ngoài (có tải), khi không chiếu sáng vẫn có một sự
chênh lệch rất nhỏ về điện tích ở hai đầu PMT. Nguyên nhân của hiện tượng này là sự
tồn tại một số lượng nhỏ hạt tải được sinh ra do chuyển động nhiệt. Điều này tạo ra
dòng điện ở mạch ngoài gọi là dòng tối (Jt). Mật độ dòng tối được tính theo công thức:
qv

J t (v )  J 0 (e

e k BT

 1)

(1.9)

(Trong đó: J0 là hằng số; V là thế ra của PMT; kB là hằng số Boltzmann; T là
nhiệt độ tuyệt đối)
Ta thấy dòng tối ngược chiều với dòng đoản mạch, do đó ta đưa vào giá trị mật
độ dòng tổng cộng J và được xác định như sau:
qv

J  J sc  J t  J SC  J 0 (e

e k BT

 1)

(1.10)

1.1.2.3 Thế mạch hở (Voc)
Khi nối PMT với mạch ngoài (có tải) và chiếu sáng, sự chênh lệch nồng độ hạt
tải rất lớn ở hai đầu của PMT (điện tử phía n và lỗ trống phía p) sẽ làm cho thế ra V
tăng lên dần. Khi thế V đạt cực đại, người ta gọi nó là thế mạch hở, ký hiệu là Voc và
được xác định theo công thức:
Voc 

kT  J sc 
ln
 1
q  J 0


(1.11)

Khi V=Voc, dựa vào (1.11) ta có:
V  Voc 


kT  J sc
ln
 1
q  J0


(1.12)

Thế (1.12) vào (1.10) ta được:
J t (v)  J 0 (e

J SC
1
J0

 1)

(1.13)

Từ (1.13) ta có thể rút ra kết luận: Khi V = Voc thì Jsc = Jt, suy ra mật độ dòng
tổng cộng J = Jsc – Jt = 0. Lúc này, mạch ngoài không còn dòng hạt tải nào, điều này
giống như việc ta áp PMT vào một mạch điện bị hở và đo thế ra của PMT.
1.1.2.4 Công suất và hiệu suất của PMT
Công suất của PMT được xác định theo công thức:
P =J .V

(1.14)

(Trong đó: J nhận giá trị từ 0 đến Jsc; V nhận các giá trị từ 0 đến Voc)
Khi J = 0, ta có V=Voc; và khi V = 0 ta có J = Jsc. Tại hai giá trị này ta có P = 0.
Biểu diễn P trên đặc tuyến I - V của PMT như hình 1.5

Hình Error! No text of specified style in document..5: Đặc tuyến I-V của PMT.
Tại giá trị P(JMP, VMP) là điểm uốn của đặc tuyến I – V (hay điểm cực trị),
trong trường hợp này P đạt cực đại, điểm này được gọi là điểm công suất cực đại
(Maximum power point - MPP) [2,4].
Pm = JmpVmp = FFJscVoc

(1.15)

Hiệu suất của PMT, ký hiệu là η = Pm / Ps, được tính theo công thức:



Voc J sc FF
Ps

(1.16)


Trong đó: Ps là công suất của ánh sáng tới. FF (Fill Factor) là thừa số lấp đầy
và được định nghĩa như sau:

FF 

J mpVmp
J scVoc

(1.17)

Từ trên có thể đưa ra kết luận, trong các thông số làm việc của PMT, bốn thông
số quan trọng quyết định tính chất của một PMT là: dòng đoản mạch Jsc, thế mạch hở
Voc, thừa số lấp đầy FF, hiệu suất η. Ngoài những thông số về kỹ thuật trên thì yếu tố
về kinh tế, điều kiện môi trường cũng được quan tâm trong chế tạo PMT.