Vật liệu và linh kiện bán dẫn Pin mat troi

B. Nguyên lý hoạt động và các quá trình vật lý chính của PMT

Cấu trúc PMT p-n

Yêu cầu: Bề dày các lớp bán dẫn phải thích hợp để hấp thụ càng nhiều photon nhưng vẫn
đủ mỏng cho các hạt tải điện di chuyển về 2 điện cực.


B. Nguyên lý hoạt động và các quá trình vật lý chính của PMT
Nguyên lý hoạt động

1

Quang năng  hóa năng :
Bán dẫn hấp thụ photon có
NL ≥ Eg tạo ra e- và h+

2
Hóa năng  điện năng :
e- và h+ được phân ly và chuyển ra mạch ngoài


B. Nguyên lý hoạt động và các quá trình vật lý chính của PMT
1. Hấp thụ photon

1

Quang năng  hóa năng :
e- ở vùng hóa trị hấp thụ
photon có NL ≥ Eg có thể
nhảy lên vùng dẫn để lại h+

ở vùng hóa trị
Thỏa mãn ĐK bảo
toàn năng lượng và
động lượng

Xác suất hấp thụ photon
(ħω) ̴ hệ số hấp thụ α(ħω)


B. Nguyên lý hoạt động và các quá trình vật lý chính của PMT
1. Hấp thụ photon

Bán dẫn chuyển mức
trực tiếp
α(ħω) ̴ (ħω – Eg)1/2

1
Quang năng  hóa năng
Xác suất hấp thụ photon
(ħω) ̴ hệ số hấp thụ α(ħω)

Bán dẫn chuyển mức gián
tiếp
α(ħω) ̴ (ħω – Eg ± ħΩ)1/2


B. Nguyên lý hoạt động và các quá trình vật lý chính của PMT
2. Bán dẫn trong điều kiện không cân bằng và hóa thế
Mức Fermi : là mức năng lượng mà tại đó xác suất tìm thấy điện tử là 1/2
điều kiện cân bằng

ni : nồng độ hạt tải thuần


B. Nguyên lý hoạt động và các quá trình vật lý chính của PMT
2. Bán dẫn trong điều kiện không cân bằng và hóa thế
Khi được chiếu sáng (điều kiện không cân bằng) :
- Có sự hình thành các hạt tải điện dư (hạt tải điện không cân bằng)
- HTĐ-KCB va chạm với mạng tinh thể  thiết lập trạng thái CB nhiệt với mạng tinh thể.
- Điện tử tồn tại trong thời gian sống của chúng trên vùng dẫn (cũng như lỗ trống dưới vùng
hóa trị)
Nồng độ hạt tải điện lớn hơn giá trị ở ĐKCB : ne > neo , nh > nho  nenh > ni2

EFC , EFV chuẩn mức Fermi của evà h+ trong ĐKKCB
μe,h = (EFC – EFV) : độ lệch khỏi
trạng thái cân bằng của CBD hóa thế của cặp e- và h+ (hóa
năng của cặp e- và h+ )


B. Nguyên lý hoạt động và các quá trình vật lý chính của PMT
2. Bán dẫn trong điều kiện không cân bằng và hóa thế

Cân bằng : μe,h = 0
-Không cân bằng : μe,h ≠ 0
-Gọi N là tổng số cặp electron và lỗ trống trong CBD thì năng lượng chất bán dẫn tích trữ
được dưới dạng hóa năng là Nμe,h
(quang năng  hóa năng)


B. Nguyên lý hoạt động và các quá trình vật lý chính của PMT

3. Chuyển tiếp p-n

2
Hóa năng  điện năng :
e- và h+ được phân ly và chuyển ra mạch ngoài


B. Ngun lý hoạt động và các q trình vật lý chính của PMT
3. Chuyển tiếp p-n
Khi chưa được chiếu sáng

có thế tiếp xúc φ

Dòng tổng cộng qua lớp chuyển tiếp j

= 0


B. Nguyên lý hoạt động và các quá trình vật lý chính của PMT
3. Chuyển tiếp p-n
Khi được chiếu sáng

Bên trong chuyển tiếp p-n tồn tại lượng hóa năng Nμe,h – năng lượng tối đa cung
cấp cho mạch ngoài
• Thế tiếp xúc φ của chuyển tiếp p-n lớn hơn hay bằng thế chênh lệch V giữa 2
chuẩn mức EFC và EFV : hóa năng được chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng
• Thế tiếp xúc φ của chuyển tiếp p-n nhỏ hơn thế chênh lệch V giữa 2 chuẩn
mức EFC và EFV : hóa năng không được chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng.

B. Nguyên lý hoạt động và các quá trình vật lý chính của PMT
3. Chuyển tiếp p-n
Phân ly hạt tải

e- bị cuốn về vùng n
h+ bị cuốn về vùng p

- Điện trường tại lớp chuyển tiếp p-n : phân ly hạt
tải bên trong CBD
- Thế chênh lệch giữa 2 tiếp xúc với điện cực : kéo
các hạt tải điện ra ngoài tạo dòng điện.


B. Nguyên lý hoạt động và các quá trình vật lý chính của PMT
4. Các dòng hạt tải điện và đặc trưng I-V của PMT
Dòng hạt tải điện

- Chỉ những cặp e- và h+ sinh ra trong vùng nghèo và vùng lân cận ( -Lh ≤ x ≤ Le ) mới đóng
góp vào dòng điện đi ra tải ngoài.
- Dòng tổng cộng JQ (dòng điện được tạo ra trong PMT) gồm dòng electron trong vùng n và
dòng lỗ trống vùng p


B. Nguyên lý hoạt động và các quá trình vật lý chính của PMT
4. Các dòng hạt tải điện và đặc trưng I-V của PMT
Đặc trưng I-V
Phương trình đặc tuyến I-V của tiếp xúc p-n

ở trạng thái CB

Go : hạt tải khi chưa được chiếu sáng
ΔG : hạt tải khi được chiếu sáng

trạng thái KCB (khi chiếu sáng)


B. Nguyên lý hoạt động và các quá trình vật lý chính của PMT
4. Các dòng hạt tải điện và đặc trưng I-V của PMT
Đặc trưng I-V

Khi V=0 (trường hợp đoản mạch) ta thu được dòng đoản mạch Jsc

Khi chưa chiếu sáng và thế phân cực ngược rất lớn (exp(eV/kT)<<1) ta thu được dòng bão
hòa ngược JS

JQ = -eGo(Le + Lh) = - Js
Dòng đoản mạch và dòng bão hòa ngược là 2 thành phần cơ bản của đặc tuyến I-V của
tiếp xúc p-n


B. Nguyên lý hoạt động và các quá trình vật lý chính của PMT
4. Các dòng hạt tải điện và đặc trưng I-V của PMT
Đặc trưng I-V

Thế mạch hở là thế thu được khi dòng bằng 0

 Thế mạch hở

 Thế hở mạch là hiệu điện thế đo được khi mạch ngoài của pin mặt trời hở (Dòng điện
mạch ngoài bằng 0)

 VOC phụ thuộc trực tiếp vào T và gián tiếp vào dòng bão hòa IS
 Dòng bão hòa là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt và
bị gia tốc bởi điện trường tiếp xúc. Khi nhiệt độ PMT tăng, dòng bão hòa cũng tăng lên
theo hàm số mũ


B. Nguyên lý hoạt động và các quá trình vật lý chính của PMT
4. Các dòng hạt tải điện và đặc trưng I-V của PMT
Đặc trưng I-V của PMT

Đặc tuyến I-V của PMT trong tối (đường đứt nét) và khi chiếu sáng (đường liền nét)


C. Hiệu suất của PMT và các yếu tố liên quan
Điều kiện cho công suất cực đại :

Với

Trong đó

Giải phương trình trên ta tìm được Vmax

công suất cực đại

Với hệ số lấp đầy FF (Fill Factor)
FF là tỉ số giữa công suất đầu ra cực đại IMVM và tích của VOCJSC , dùng để kiểm tra chất
lượng của PMT, Pin có chất lượng tốt FF : 0.7 – 0.8


C. Hiệu suất của PMT và các yếu tố liên quan

Hiệu suất của PMT


C. Hiệu suất của PMT và các yếu tố liên quan
Hiệu suất chuyển đổi quang điện η
Hiệu suất chuyển đổi quang điện là tỉ số giữa công suất cực đại và công suất chiếu xạ

Thông số

Kí hiệu

Đơn vị

Xác định

Thế hở mạch

VOC

V

J=0

Dòng đoản mạch

JSC

mA

V=0

Thế cực đại

Vmax

V

V tại (JV)max

Dòng cực đại

Jmax

I

J tại (JV)max

Hệ số lấp đầy

FF

%

(JV)max/ (VOC Jsc)

Hiệu suất

η

%

Pmax / Plight


C. Hiệu suất của PMT và các yếu tố liên quan
Mạch tương đương của PMT

Khi được chiếu sáng, nối bán dẫn p và n của tiếp xúc p-n bằng một dây dẫn  Jph
 Pin mặt trời có thể xem như nguồn điện
Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chất chỉnh lưu  điot.
Khi phân cực ngược, do điện trở ở lớp tiếp xúc có giới hạn  dòng rò . Đặc
trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc p-n  điện trở Shun RSh
Khi dòng điện chạy trong mạch  đi qua các lớp bán dẫn p, n, các điện cực ,
các tiếp xúc…  điện trở Rs
J
JD
Jph

JSh

RS

J = Jph – JD – JSh

RSh
Jph : Dòng quang điện (A/m2)
JD : dòng qua diot (A/m2)
Js : dòng bão hòa (A/m2)

C. Hiệu suất của PMT và các yếu tố liên quan
Điện cực trong PMT

- Là tiếp xúc KL-BD
• Tiếp xúc Ohmic : cho phép trao đổi hạt tải đa số giữa BD và KL dễ
dàng.
• Tiếp xúc Schottky : ngăn cản trao đổi hạt tải đa số giữa BD và KL.
 Trong PMT, mong muốn tạo được tiếp xúc Ohmic.
- Để tạo tiếp xúc Ohmic:
• Với BD loại p: công thoát KL > công thoát BD – p
• Với BD loại n: công thoát KL < công thoát BD – n


C. Hiệu suất của PMT và các yếu tố liên quan
Lớp chống phản xạ trong PMT – bẫy quang học

Làm tăng cường hấp thụ ánh sáng cho PMT ( tăng hiệu suất pin )
 Cấu trúc kim tự tháp