Nguyên tắc hoạt động của pin quang điện

Nguyên tắc hoạt động của pin quang điện!
Nhiên liệu hóa thạch theo tính toán của các nhà khoa học
và môi trường học sẽ cạn kiệt trong vòng 50 năm nữa
nếu cứ sử dụng với tốc độ hiện nay. Việc tìm năng lượng
thay thế là bài toán cấp bách của toàn nhân loại . Có ý
kiến cho rằng điện hạt nhân là một giải pháp, nhưng với
mức độ an toàn và bản chất của quá trình không thuận nghịch của
phản ứng hạt nhân không cho ta kết quả như mong đợi .Năng lượng
mặt trời xét về lâu dài mới là giải pháp cho tương lai. Một trong các
nguyên nhân khác của việc sử dụng năng lượng mặt trời đó là do tính
sạch của nó về mặt môi trường. Trong quá trình sử dụng nó không
sinh ra khí nhà kính hay gây ra các hiệu ứng tiêu cực tới khí hậu toàn
cầu. Việc dạy học gắn với nội dung này nhằm giáo dục ý thức môi
trường và sự chuẩn bị hành trang cho chủ nhân tương lai là cần thiết
và phù hợp . Có 2 cách chính sử dụng năng lượng mặt trời
- Sử dụng dưới dạng nhiệt năng : lò hấp thụ mặt trời, nhà kính...
- Sử dụng thông qua sự chuyển hoá thành điện năng: Hệ thống pin
mặt trời
Câu hỏi đặt ra là pin mặt trời hoạt động thế nào
Pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (
thường gọi là hiệu ứng quang điện trong - quang dẫn) để tạo ra dòng
điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Loại pin mặt trời thông dụng
nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể. Để hiểu về nguyên lý làm
việc của pin mặt trời loại này chúng ta cần biết một vài đặc điểm của
chất bán dẫn Silic.
Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s
2
2s
2
2p
6

3s
2
3p
2
. Các
điện tử của nó được sắp xếp vào 3 lớp vỏ. 2 lớp vỏ bên trong được
xếp đầy bởi 10 điện tử. Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được lấp
đầy 1 nửa với 4 điện tử 3s
2
3p
2
. Điều này làm nguyên tử Si có xu
hướng dùng chung các điện tử của nó với các nguyên tử Si khác.
Trong cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si
lân cận để lớp vỏ ngoài cùng có chung 8 điện tử (bền vững).
Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện tử
bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Chỉ trong điều
kiện kích thích quang, hay nhiệt làm các điện tử bị bứt ra khỏi hiên
kết, hay nói theo ngôn ngữ vùng năng lượng là các điện tử (tích điện
âm) nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùng hóa trị 1 lỗ trống
(tích điện dương), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện.
Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha
tạp chất vào trong đó. Trước tiên ta xem xét trường hợp tạp chất là
nguyên tử phospho (P) với tỷ lệ khoảng một phần triệu. P có 5 điện
tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kết trong tinh thể Si sẽ dư ra 1
điện tử. Điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt có thể bứt khỏi
liên kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể.

Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N
(Negative) vì có tính chất dẫn điện bằng các điện tử tự do. Ngược lại,

nếu chúng ta pha tạp tinh thể Si bằng các nguyên tử Boron (B) chỉ có
3 điện tử ở lớp vỏ, chúng ta sẽ có chất bán dẫn loại P (Positive) có
tính chất dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống.
Điều gì sẽ xảy ra khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau. Khi
đó, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại N sẽ sẽ
khuyếch tán từ bán dẫn loại N -> bán dẫn loại P và lấp các lỗ trống
trong phần bán dẫn loại P này.
Liệu các điện tử tự do của bán dẫn N có bị chạy hết sang bán dẫn P
hay không? Câu trả lời là không. Vì khi các điện tử di chuyển như vậy
nó làm cho bán dẫn N mất điện tử và tích điện dương, ngược lại bán
dẫn P tích điện âm. Ở bề mặt tiếp xúc của 2 chất bán dẫn bây giờ tích
điện trái ngược và xuất hiện 1 điện trường hướng từ bán dẫn N sang
P ngăn cản dòng điện tử chạy từ bán dẫn N sang P. Và trong khoảng
tạo bởi điện trường này hầu như không có e hay lỗ trống tự do .
Thiết bị mà chúng ta vừa mô tả ở trên chính là 1 đi ốt bán dẫn. Điện
trường tạo ra ở bề mặt tiếp xúc làm nó chỉ cho phép dòng điện tử
chạy theo 1 chiều, ở đây là từ bán dẫn loại P sang bán dẫn loại N,
dòng điện tử sẽ không được phép chạy theo hướng ngược lại. Để lí
giải vì sao bạn có thể liên hệ một cách đơn giản đến phần tĩnh điện.
Pin quang điện không phải cái gì khác chính là một điốt bán dẫn có
diện tích bề mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể
truyền qua. Khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện một phần sẽ bị
phản xạ ( và do đó trên bề mặt pin quang điện có một lớp chống
phản xạ ) và một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp N. Một phần
may mắn hơn đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp e và lỗ trống
nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn p-n. Với các bước sóng
thích hợp sẽ truyền cho e một năng lượng đủ lớn để bật khỏi liên kết.
Sẽ không thể có chuyện gì nếu không có điện trường nhỏ tạo bởi lớp
chuyển tiếp. Đó là lí do giải thích vì sao nếu ta chiếu ánh sáng vào
một vật bán dẫn thì không thể sinh ra dòng điện .

Nhưng cặp e và lỗ trống này nằm trong tác dụng của điện trường do
đó e sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại n còn lỗ trống bị kéo về phía bán
dẫn loại p.kết quả là nếu ta nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n
và p sẽ đo được một hiệu điện thế. Giá trị hiệu điện thế này phụ
thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chấp được hấp phụ .
Với Si ( B;P) thì giá trị này ở khoảng 0,6V.