Nghiên cứu mô phỏng hệ thống pin quang điện nối lưới vấn đề bù công suất phản kháng

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


TRẦN HỒNG HUY

NGHIÊN CỨU & MƠ PHỎNG HỆ THỐNG PIN
QUANG ĐIỆN NỐI LƯỚI: VẤN ĐỀ BÙ CÔNG
SUẤT PHẢN KHÁNG
Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2008


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. NGUYỄN HỮU PHÚC ..............
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1:..........................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................

.................................................................................................................
.................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2:..........................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ……. tháng 12 năm 2008


TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
--------------------------------

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
----------------------------------

Tp. HCM, ngày 30 tháng 11 năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:TRẦN HOÀNG HUY ...........................Phái: Nam .........................
Ngày, tháng, năm sinh: 25/02/1982 .................................Nơi sinh: Tỉnh Tiền Giang

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện ..............MSHV: 01806486.............
Khóa (năm trúng tuyển): 2006 - 2008 ........................................................................
I – TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU & MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN QUANG
ĐIỆN NỐI LƯỚI: VẤN ĐỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ..............................
II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tìm hiểu lý thuyết pin quang điện

-

Các phương pháp điều khiển pin quang điện

-

Mô hình hóa hệ thống pin quang điện

-

Mơ hình hóa hệ thống pin quang điện nối lưới có bù cơng suất phản kháng

III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong QĐ giao đề
tài): Tháng …… năm 2008........................................................................................
IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 30 tháng 11 năm 2008 ...............
V – CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): ..............................
Phó Giáo Sư, Tiến Sĩ NGUYỄN HỮU PHÚC...........................................................
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

PGS. TS. NGUYỄN HỮU PHÚC

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CÁM ƠN

Đề tài này được thực hiện theo chương trình đào tạo thạc sĩ tại Trường Đại học
Bách khoa - Đại học Quốc gia Tp.HCM, phòng Quản lý và Đào tạo SĐH, chuyên
ngành Thiết bị, mạng và nhà máy điện. Xin cám ơn q thầy cơ đã tạo điều kiện
thuận lợi để em thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cám ơn thầy trực tiếp hướng dẫn, PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc đã
tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến q báu và hướng dẫn em hồn thiện đề tài
này. Em cũng xin gởi lời cám ơn đến thầy Chủ nhiệm phụ trách lớp CH Thiết bị,
mạng và nhà máy điện K2006, TS. Vũ Phan Tú đã khích lệ, đôn đốc và giám sát
tiến độ trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Rất cảm kích trước sự cộng tác nhiệt tình của các anh chị và các bạn học viên lớp
CH Thiết bị, mạng và nhà máy điện K2006, cám ơn vì sự đóng góp ý kiến hữu ích
cùng những thảo luận thú vị.
Lời tri ân đến gia đình và những người thân vì đã ln ủng hộ và động viên trong
suốt quá trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện đề tài này.

Kính chúc sức khỏe q thầy cơ và các bạn.


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay người ta rất quan tâm đến những nguồn năng lượng mới như: năng
lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều,…Các hệ thống năng lượng

này có ưu điểm là khơng gây ra ơ nhiễm và chúng được gọi là những nguồn năng
lượng “sạch” hay năng lượng “xanh”. Ngoài ra, việc tăng nhu cầu sử dụng điện đã
tạo áp lực đối với ngành điện buộc họ phải tìm ra những nguồn năng lượng mới.
Trước đây, hệ thống pin quang điện chỉ được dùng cho các hệ thống đặc biệt như
là các vệ tinh thông tin. Những cải tiến liên tục trong ngành vật liệu bán dẫn đã
dẫn đến việc phát triển mạnh hệ thống pin quang điện dùng trong thương mại với
giá cả cạnh tranh có thể so sánh được với những nguồn năng lượng truyền thống.
Kết quả là pin quang điện ngày càng chiếm ưu thế trong các nguồn năng lượng
mới.
Việc sử dụng pin quang điện ở những lĩnh vực công nghiệp và dân cư giúp khách
hàng ít phải sử dụng điện từ lưới điện quốc gia. Do đó tiết kiệm được nguồn thủy
năng đáng kể cho chính phủ và một số tiền khá lớn cho bản thân khách hàng.
Luận văn này giới thiệu mơ hình, phân tích bộ nghịch lưu để nối nguồn DC cua
pin quang điện với lưới AC. Thuật toán điều khiển của bộ nghich lưu áp dụng lý
thuyết công suất p-q tức thời, và nguồn DC do pin quang điện cung cấp. Mục tiêu
của bài này là dùng thuật toán điều khiển để truyền năng lượng từ pin quang điện
vào lưới điện và nâng cao hệ số công suất của hệ thống điện.


MỤC LỤC

Chương 1 Phát biểu vấn đề
1.1
1.2
1.3
1.4

1

Tổng quan ....................................................................................................... 1

Nhu cầu năng lượng thế giới năm 2015 ........................................................... 1
Nhu cầu năng lượng thế giới năm 2030 ........................................................... 3
Các thế hệ năng lượng ..................................................................................... 5
1.4.1 Thế hệ thứ nhất..................................................................................... 5
1.4.1.1 Thủy điện ............................................................................... 5
1.4.1.2 Đốt cháy sinh khối .................................................................. 5
1.4.1.3 Năng lượng địa nhiệt và nhiệt.................................................. 6
1.4.2 Thế hệ thứ hai....................................................................................... 6
1.4.2.1 Sưởi ấm và làm lạnh bằng năng lượng mặt trời........................ 6
1.4.2.2 Năng lượng gió ....................................................................... 6
1.4.2.3 Pin quang điện......................................................................... 7
1.4.2.4 Các dạng năng lượng sinh học mới.......................................... 7
1.4.3 Thế hệ thứ ba........................................................................................ 8

1.4.3.1 Năng lượng mặt trời dạng tập trung......................................... 8
1.4.3.2 Năng lượng đại dương............................................................. 8
1.4.3.3 Hệ thống địa nhiệt ................................................................... 8
1.4.3.4 Hệ thống năng lượng sinh học kết hợp .................................... 9
1.5 Đặc điểm năng lượng mặt trời ......................................................................... 9
1.5.1 Ưu điểm................................................................................................ 9
1.5.2 Khuyết điểm ....................................................................................... 10

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

11

2.1 Tổng quan ..................................................................................................... 11
2.2 Lịch sử phát triển pin quang điện................................................................... 13
2.3 Phân loại pin quang điện ............................................................................... 13
2.3.1 Tế bào quang điện .............................................................................. 14

2.3.1.1 Cấu tạo tế bào quang điện...................................................... 14


2.3.1.2 Mạch điện tương đương ........................................................ 19
2.3.1.3 Đặc tính pin quang điện......................................................... 21
2.3.2 Tấm pin quang điện ............................................................................ 24
2.3.3 Dãy pin quang điện............................................................................. 26
2.4 Công nghệ sản xuất pin quang điện ............................................................... 28
2.4.1 Dạng đơn tinh thể Si ........................................................................... 28
2.4.2 Dạng đa tinh thể và bán tinh thể.......................................................... 29
2.4.3 Dạng lớp phim mỏng .......................................................................... 29
2.4.4 Dạng Si khơng định hình .................................................................... 29
2.4.5 Dạng hình cầu..................................................................................... 30
2.4.6 Các tế bào dạng tâp trung.................................................................... 31
2.5 Bản đồ năng lượng mặt trời ........................................................................... 32
2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin quang điện ..................................................... 34
2.6.1 Cường độ chiếu sáng .......................................................................... 34
2.6.2 Góc chiếu sáng ................................................................................... 35
2.6.3 Hiệu ứng bóng mờ .............................................................................. 36
2.6.4 Hiệu ứng nhiệt độ ............................................................................... 38
2.6.5 Hiệu ứng thời tiết................................................................................ 40
2.6.6 Hòa hợp tải ......................................................................................... 40
2.6.7 Việc thay đổi chiều quay theo hướng mặt trời..................................... 41
2.7 Các dạng pin năng lượng nối lưới và hoạt động độc lập................................. 42
2.7.1 Dạng nối lưới...................................................................................... 42
2.7.1.1 Hệ thống pin quang điện khơng có bộ accu ........................... 43
2.7.1.2 Hệ thống pin quang điện có bộ accu ...................................... 43
2.7.2 Dạng độc lập....................................................................................... 44
2.7.2.1 Pin quang điện cấp nguồn cho hệ thống bơm nước................ 45
2.7.2.2 Pin quang điện cấp nguồn cho hệ thống chiếu sáng ............... 45

2.7.2.3 Pin quang điện ở những khu xa dân cư .................................. 46
2.8 Các thành phần cơ bản của pin quang điện .................................................... 46
2.8.1 Bộ điều khiển công suất (PCU)........................................................... 46
2.8.2.1 Bộ tìm điểm cơng suất cực đại............................................... 47
2.8.2.2 Bộ biến đổi DC sang AC ....................................................... 50
2.8.2 Bộ điều khiển pin quang điện ............................................................. 52
2.8.3 Cân bằng các thành phần của hệ thống................................................ 53


Chương 3 Các cơng trình nghiên cứu liên quan

56

3.1 Thiết kế bộ lọc và điều khiển bộ inverter để có chất lượng điện cao khi nối
lưới................. ....................................................................................................... 56
3.2 Đánh giá thực nghiệm về hoạt động của hệ thống pin quang điện khi nối
lưới…………………………………………………………………………………56
3.3 Các bộ inverter dùng cho hệ thống pin quang điện nối lưới ........................... 44
3.4 So sánh chất lượng điện năng giữa bộ inverter trung tâm và các bộ inverter
thành phần trong hệ thống pin quang điện nối lưới ................................................ 57
3.5 Đánh giá hoạt động của hệ thống pin quang điện nối lưới thông qua bộ
inverter……………………………………………………………………………..57
3.6 Hoạt động của bộ inverter được mô phỏng và đo đạt ở những điện áp hoạt
động ngõ vào khác nhau, ảnh hưởng tới điện trường tối ưu.................................... 57
3.7 Bộ inverter nhiều bậc dựa trên PIC dùng cho ứng dụng hệ thống pin quang
điện……................................................................................................................ 58

Chương 4 Thuật tốn điều khiển và mơ hình mô phỏng

59

4.1 Phương pháp điều khiển các bộ biến đổi trong hệ thống pin quang điện ........ 59
4.1.1 Điều khiển công suất cực đại (MPPT) của pin quang điện .................. 59
4.1.1.1 Điện áp hằng số (CV)............................................................ 59
4.1.1.2 Dao động và giám sát (P&O)................................................. 59
4.1.1.3 Điện dẫn lũy tiến (INC)......................................................... 60
4.1.1.4 Điện dẫn kí sinh (PC) ............................................................ 61
4.1.1.5 Hiệu suất của các kỹ thuật MPPT ......................................... 62
4.1.2 Điều khiển bộ biến đổi DC-DC........................................................... 62
4.1.3 Điều khiển bộ biến đổi DC-AC........................................................... 63
4.1.3.1 Phép biến đổi......................................................................... 64
4.1.3.2 Điều chế độ rộng xung .......................................................... 67
4.1.3.2.1 Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang........... 68
4.1.3.2.2 Điều chế vectơ không gian (SVW) ....................... 69
4.1.3.2.3 Điều chế động rộng xung ngẫu nhiên .................... 70
4.2 Mơ hình mơ phỏng............................................................................................71
4.2.1 Mơ hình pin quang điện ...................................................................... 71


4.2.1 .1 Đặc tính hàm bức xạ (G) ...................................................... 71
4.2.1.2 Đặc tính pin quang điện......................................................... 72
4.2.1.3 Mơ hình bộ tìm điểm cơng suất cực đại (MPPT) .................. 76
4.2.1.4 Mơ hình bộ biến đổi DC-DC ................................................. 78
4.2.1.5 Mơ hình bộ biến đổi DC-AC ................................................. 80
4.2.2 Mơ hình pin quang điện nối lưới thơng qua bộ inverter....................... 81
4.2.2.1 Mơ hình nguồn lưới và tải ..................................................... 83
4.2.2.2 Mơ hình các khối chuyển trục................................................ 85
4.2.2.3 Mơ hình khối tính tốn q*……………………………………85
4.2.2.4 Mơ hình khối tính tốn I*abc……….......................................86
4.2.2.5 Mơ hình khối tạo trễ………………………………………….86

4.2.2.6 Mơ hình khối tạo xung ......................................................... 86
4.2.2.7 Thông số tụ, cuộn cảm, nguồn dịng ...................................... 87
4.3 Kết quả mơ phỏng……………………… ...................................................... 88
4.3.1 Khi pin quang điện chưa nối lưới........................................................ 88
4.3.2 Khi pin quang điện nối lưới ................................................................ 89

Chương 5 Kết luận

97

Chương 6 Tài liệu tham khảo

98


Luận văn thạc sĩ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

CHƯƠNG I

PHÁT BIỂU VẤN ĐỀ
1.1 Tổng quan
Chúng ta sử dụng năng lượng hàng ngày. Năng lượng tồn tại quanh ta dưới nhiều
dạng khác nhau: ánh sáng, nhiệt độ, và điện. Cơ thể chúng ta dùng năng lượng tích
trữ trong các nhóm hợp chất như cacbon hydrat và chất đạm để vận động, thở, tăng
trưởng và suy nghó. Chúng ta cũng dùng năng lượng để làm việc và vui chơi. Con
người đã chế tạo ra hàng ngàn máy móc và công cụ dùng năng lượng để hỗ trợ
cuộc sống của chúng ta. Một số các máy này dùng điện, trong khi một số khác
dùng năng lượng từ dầu hỏa

Hai dạng năng lượng phổ biến nhất chúng ta thường dùng là nhiệt và điện. Nhiệt
là năng lượng của các phần tử chuyển động trong các chất. Các phần tử càng
chuyển động nhanh, chất càng nóng lên. Điện là dạng năng lượng của các electron
chuyển động dọc theo dây dẫn như dây đồng.
1.2 Nhu cầu năng lượng thế giới năm 2015
Theo Bộ năng lượng Mỹ, nguồn điện là nguồn năng lượng tăng nhanh nhất trong
hai thập kỉ tới trên toàn thế giới. Nhu cầu điện được dự đoán sẽ tăng lên 19 nghìn
tỷ kWh trước năm 2015 (hình 1.1) với tỷ lệ tăng hàng năm là 2.6%.

Hình 1.1: Nhu cầu sử dụng điện trên thế giới từ 1970 đến 2015
Nhu cầu điện trong lónh vực công nghiệp và các nước phát triển dự kiến tăng đến
năm 2015 được minh họa trong hình 1.2.

HVTH:TrầnHồngHuy

1


Luận văn thạc sĩ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

Hình 1.2: Tiêu thụ điện năng ở các nước công nghiệp hóa và đang phát triển từ
1990 đến 2015
Ở đây ta có thể thấy tỷ lệ tăng nhanh ở các nước phát triển. Tổ chức các nước phát
triển và hợp tác kinh tế (OECD) chiếm 20% dân số thế giới nhưng tiêu thụ lượng
điện bằng 60% lượng điện thế giới. Mặc dù Mỹ là nước tiệu thụ điện nhiều nhất
thế giới, nhưng nó có tỷ lệ tăng thấp nhất là 1.3% trong khi tỷ lệ tăng trung bình
của thế giới là 2.6%. Mêhicô được dự đoán là nước có tỷ lệ tăng cao nhất hàng
năm là 4.7% từ nay tới năm 2015. Các nước phát triển ở Châu Á được dự đoán là

sẽ có tỷ lệ tăng cao nhất là 5% (hình 1.3).

Hình 1.3: Tiêu thụ điện ở các nước phát triển Châu Á từ 1990 đến 2015

HVTH:TrầnHồngHuy

2


Luận văn thạc sĩ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

Khi nhu caàu điện tăng, nguồn than sẽ giữ vai trò tích trữ năng lượng cơ bản cho
việc phát điện, đặc biệt là ở Trung Quốc và n Độ. Do đó, việc chia sẻ phát điện
bằng năng lượng hạt nhân đang tiến đến đỉnh cao nhưng người ta tin rằng nó sẽ tàn
lụi trong tương lai. Người ta mong rằng than đá, khí tự nhiên và năng lượng tái tạo
sẽ phát triển thay thế kế hoạch năng lượng hạt nhân cũ kó. Tuy nhiên, năng lượng
tái tạo sẽ chiếm phần lớn trong sự phát triển chung đó. Nói đến năng lượng tái tạo
là nói đến nguồn năng lượng sạch. Hiện nay trên thế giới đang kêu gọi giảm tác
động của các nguồn năng lượng đến môi trường, cụ thể là hiệp định thư Kyoto

Hình 1.4: Cắt giảm khí thải theo hiệp định Kyoto

1.3 Nhu cầu năng lượng thế giới năm 2030
Năng lương tái tạo giữ vai trò rất quan trọng trong các loại năng lượng điện trên
toàn thế giới trong năm 2030, cung cấp cho hơn 25% tổng lượng điện. Trong năm
2004 con số này là 18%. Trong những khoảng thời gian nhất định, việc phát điện
từ nguồn năng lượng tái tạo tăng từ 3179TWh đến 7775TWh và năng lượng tái tạo
trở thành nguồn phát điện lớn thứ hai sau nguồn than.

Việc tăng trưởng có kế hoạch là kết quả của các chính sách mới đang được xem
xét, giả sử rằng những chính sách này sẽ được thực hiện, cũng như kết quả của
việc mở rộng và cũng cố chính sách hiện thời. Hầu hết các nước OECD
(Oganisation for Economic Co-operation and Development) và các nước ngoài
HVTH:TrầnHoàngHuy

3


Luận văn thạc sĩ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

OECD đang xem xét chính sách để tăng việc đóng góp các nguồn năng lượng tái
tạo. Với các nước Liên minh Châu Âu, khơng có mục tiêu sử dụng năng lượng tái
tạo trước năm 2010, mặc dù một số nước khác đã có chính sách quốc gia về việc
này. Tuy nhiên , trước khoảng thời gian này các nước này vẫn dự định đóng góp
kế hoạch cho năng lượng tái tạo. Ở Mỹ, khoảng một nửa các tiểu bang đều có kế
hoạch tăng việc sử dụng năng lượng tái tạo thông qua tiêu chuẩn đầu tư năng
lượng tái tạo. Luật năng lượng tái tạo của Trung Quốc, có hiệu lực từ 2006, có thể
tạo ra ảnh hưởng sâu rộng trên việc phát điện từ những nguồn năng lượng tái tạo.
Thị phần của năng lượng tái tạo tăng 10% trên mức hiện tại ở các nước OECD,
4% ở các nước đang phát triển, và 4% ở các nước chuyển tiếp. Trong OECD, việc
tăng trưởng ấn tượng nhất là 38% lượng điện dựa trên năng lượng tái tạo vào năm
2030 ở các nước Châu Âu.
Thị phần của thủy điện trong việc phát điện của thế giới là 16% vào năm 2030,
cũng tương tự như ngày nay. Hầu hết những nhà máy thủy điện mới được xây
dựng ở các nước đang phát triển, ở đó nguồn năng lượng dự phòng chưa được khai
thác vẫn còn rất lớn. Ở các nước đang phát triển, người ta bắt đầu quan tâm đến
nguồn năng lượng tái tạo. Công suất thủy điện trên thế giới tiến tới 1431 GW

trong năm 2030, so với 851GW hiện nay. Công suất thủy điện ở Trung Quốc tăng
từ 105GW trong năm 2004 đến 298GW trong 2030. Ở Ấn Độ, nó tăng từ 31GW
đến 105GW.
Điện phát ra từ năng lượng sinh khối, gió, mặt trời, địa nhiệt và thủy triều, sóng
đạt cơng suất 2872TWh năm 2030, hầu như tăng 8 lần so với bây giờ và thị phần
hiện nay tăng 2% cho tới 10% vào năm 2030. Việc tăng nhiều nhất là ở các nước
Châu Âu OECD, trong đó dự kiến sẽ cung cấp 22% nhu cầu điện được phát ra từ
nguồn năng lượng tái tạo (hình 1.5). Hầu hết các sự tăng trưởng là trong các ngành
năng lượng gió và sinh khối, đây là những nguồn năng lượng có tính cạnh tranh
nhất so với các nguồn năng lượng khác. Việc tăng đáng kể này phản ánh chính
sách mới nhắm đến ủng hộ việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo cũng như việc
giảm chi phí từ những cải tiến kỹ thuật.

HVTH:TrầnHồngHuy

4


Luận văn thạc sĩ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

Hình 1.5: Thị phần của nguồn năng lượng tái tạo trong việc phát điện ở các khu
vực trên thế giới
1.4 Các thế hệ năng lượng
1.4.1 Kỹ thuật của thế hệ thứ nhất
1.4.1.1 Thủy điện
Thủy điện là kỹ thuật cực kì linh hoạt nhìn từ quan điểm vận hành lưới điện. Thủy
điện qui mô lớn cho giá thành thấp trong thị trường năng lượng hiện nay, cơ bản là
do cơ sở vật chất đã được xây dựng trước và chi phí thiết bị đã được khấu hao.

Chi phí đầu tư cho nhà máy thủy điện mới ở các nước thành viên IEA là khoảng
2400USD/MW, với chi phí phát điện dao động từ 0.03USD/kWh đến
0.04USD/kWh. Cơng suất dự phịng của thủy điện nhỏ trên tồn thế giới được ước
tính là 150GW đến 200GW. Chi phí thủy điện nhỏ trong tầm khoảng
0.02USD/kWh đến 0.06USD/kWh, và trong vùng có nguồn nước thuận lợi cho
thủy điện thì chi phí là thấp nhất. Khi bỏ đi chi phí trả trước, nhà máy thủy điện có
thể cấp điện với chi phí thấp nhất, khi các hệ thống như vậy khơng có sự thay thế
chủ yếu nào trong vịng 50 năm hoặc hơn. Hiện tại, chỉ 5% dự phòng thủy điện
trên toàn thế giới được khai thác như là dạng thủy điện nhỏ. Trở ngại chính để
khai thác lượng cơng suất lớn hơn là vấn đề truyền tải, môi trường và xã hội.
1.4.1.2 Việc đốt cháy sinh khối
Việc đốt cháy sinh khối để thu nhiệt và điện năng là kỹ thuật đã có từ lâu. Nó tận
dụng nhiên liệu một cách kinh tế và giúp giảm rác thải của các ngành công nông
nghiệp và rác thải trong thành phố. Tuy nhiên, ngành cơng nghiệp cũng cịn những
trì trệ tương đối trong những năm vừa qua, mặc dù nhu cầu sinh khối (hầu hết là
gỗ) tiếp tục gia tăng ở các nước phát triển. Một trong những vấn đề của sinh khối
HVTH:TrầnHoàngHuy

5


Luận văn thạc sĩ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

là nguyên liệu được đốt cháy trực tiếp trong lò sản sinh ra các chất ô nhiễm gây
hại cho sức khỏe và môi trường, mặc dù trong các lị này có khâu xử lý làm giảm
bớt ảnh hưởng. Vấn đề thứ hai là việc đốt cháy sinh khối sẽ sản sinh ra khí CO2,
mặc dù việc đốt cháy sinh khối thường được xem là “khơng có cacbon” nhưng vì
các cây cối hấp thụ CO2, nên việc đốt cháy này tạo ra chu trình cacbon. Kỹ thuật

sinh khối thế hệ đầu tiên có tính cạnh tranh về mặt kinh tế, nhưng có thể vẫn cần
sự hỗ trợ triển khai để được mọi người chấp nhận.
1.4.1.3 Năng lượng địa nhiệt và nhiệt
Nhà máy năng lượng địa nhiệt có thể vận hành 24 giờ một ngày, cung cấp cho
công suất tải nền. Thực ra, công suất dự phòng trên thế giới cho năng lượng địa
nhiệt là trong khoảng từ 85GW trong 30 năm tới. Chi phí năng lượng địa nhiệt
giảm đáng kể do hệ thống được xây dựng từ năm 1970. Chi phí phát điện tại nhà
máy hiện thời ở Mỹ rất thấp khoảng 0.015USD/kWh đến 0.025USD/kWh. Những
nhà máy mới có thể phát cơng suất với chi phí 0.05USD/kWh đến 0.08USD/kWh,
tùy thuộc chất lượng nguồn nguyên liệu.
Tuy nhiên, năng lượng địa nhiệt là giới hạn đối với một số vùng miền trên thế giới.
Những vùng có nguồn năng lượng lớn là nước Mỹ, miền trung Châu Mỹ,
Inđônêsia, Đông Phi , và Philipin. Thách thức để mở rộng nguồn năng lượng địa
nhiệt bao gồm thời gian phát triển dự án lâu dài, hiểm họa và chi phí khoan thăm
dị. Việc phát nhiệt địa nhiệt có thể cạnh tranh với các nước phát điện địa nhiệt
1.4.2 Kỹ thuật của thế hệ thứ hai
1.4.2.1 Sưởi ấm và làm lạnh bằng năng lượng mặt trời
Những bộ thu nhiệt mặt trời được sử dụng rộng rãi ở một số nước, chủ yếu là để
tạo ra nước nóng. Các cơng nghệ khác nhau ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn
như: bộ thu có lớp kính bảo vệ, khơng có lớp kính bảo vệ, hay bộ tản. Các bộ này
lần lượt chiếm thị phần là 50%, 30%, và 20% Theo nguyên tắc, những hệ thống
lớn có thể dùng cho khu dân cư có khơng gian kết hợp bơm hấp thụ nhiệt dùng
cho việc làm lạnh. Tuy nhiên, cần phải giảm giá đáng kể để cạnh tranh với các thế
hệ sau.
1.4.2.2 Năng lượng gió
Cơng nghệ gió đang ngày càng trở nên đáng tin cậy, có thể hoạt động với 98%
nguồn có sẵn và có các thiết kế có tuổi thọ lên đến hơn 20 năm. Ngồi ra, giá của
tua bin gió ngày càng giảm và độ tin cậy kỹ thuật càng tăng. Yếu tố ảnh hưởng
đến thị trường là sự đa dạng, độ tin cậy khi nối lưới, sự chấp nhận của người sử
HVTH:TrầnHoàngHuy

6


Luận văn thạc sĩ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

dụng. Tuy nhiên, do sự cải thiện việc nối lưới và sự quản lý các nguồn năng lượng
tái tạo, các hạn chế kỹ thuật đã được giảm bớt.
Ở những khu dùng năng lượng gió, RD&D liên tục thì cần thiết để cung cấp sự
giảm thiểu cần thiết về giá cả, độ không tin cậy để nhận ra mức triển khai mong
đợi. Sự ưu tiên RD&D khác bao gồm việc tăng giá trị việc dự đoán hoạt động lưới
điện, giảm độ tin cậy liên quan tới tính nhất quán kỹ thuật, sự phát triển và hiệu
lực của tiêu chuẩn, giảm chi phí lưu trữ, tăng qui mô, và giảm tác động môi trường.
Việc tăng cường sử dụng năng lượng gió làm giảm hiệu ứng nhà kính. Với những
hỗ trợ nhiều hơn thì năng lượng gió có thể trở thành nguồn năng lượng cạnh tranh
được với kỹ thuật truyền thống từ những năm 2015-2020, và sau đó là năng lượng
gió ngồi khơi.
1.4.2.3 Pin quang diện
Thị trường pin quang điện bắt đầu phát triển từ những năm 1992. Những nỗ lực
RD&D cùng với chính sách triển khai trên thị trường đã giảm đáng kể giá thành.
Mỗi hai bộ được chế tạo sẽ giảm 20% chi phí. Nhưng việc triển khai này chỉ tập
trung ở các thị trường Nhật, Đức, và Mỹ, chiếm 85% tổng số hệ thống pin quang
điện được lắp đặt. Pin quang điện vẫn còn rất cần sự đầu tư RD&D cũng như hỗ
trợ triển khai để đạt được thị trường. Trong tương lai gần, nỗ lực RD&D sẽ tập
trung vào nâng cao các thành phần cân bằng hệ thống cho hệ thống hoạt động độc
lập và nối lưới. Mặc dù có sự hỗ trợ nhưng người ta khơng nghĩ rằng có thể cạnh
tranh với các nguồn năng lượng khác cho tới sau những năm 2020.
1.4.2.4 Các dạng năng lượng sinh học mới

Có nhiều dạng năng lượng sinh học hiện đại hơn như: việc sinh nhiệt và điện dựa
trên sinh khối, nhiên liệu sinh học dùng cho việc vận chuyển, các vụ mùa ngắn hạn
để tận dụng nguồn nguyên liệu. Các dạng năng lượng này là dạng cao cấp hơn
dạng sinh khối và có những lợi ích riêng. Sinh khối đạt hiệu quả khi dùng nhiên
liệu độc lập hoặc trộn lẫn với các dạng nhiên liệu khác nhau như: gỗ dễ cháy trộn
với than đá, ethanol hỗn hợp hoặc dầu diesel sinh học trộn với nhiên liệu gốc dầu
hỏa truyền thống. Sự đốt cháy thiếu khí tạo ra nguồn dự phịng lớn ở các nước
Điện phát ra từ năng lượng sinh khối được dựa trên kỹ thuật của tabin hơi nước.
Nhiều nơi trên thế giới có nguồn năng lượng sinh khối chưa được khai thác mà với
nguồn năng lượng này có thể chuyển thành điện có giá thành cạnh tranh dùng kỹ
thuật tuabin hơi nước.
Chất dễ cháy là dạng năng luợng sinh khối giá thành thấp và ít rủi ro. Hệ thống
năng lượng này có thể hồn vốn trong vịng 2 năm. Ngồi ra, sinh khối có thể thay
HVTH:TrầnHồngHuy
7


Luận văn thạc sĩ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

thế 15% tổng số năng lượng đầu vào trong nhà máy điện. Chất dễ cháy là mối
quan tâm đặc biệt ở các nước đang phát triển bởi vì nó giúp nâng cao chất lượng
môi sinh và kinh tế của các nhà máy đốt than lâu đời.
Nhiên liệu sinh học từ việc sản xuất sinh khối nông nghiệp là công nghệ chuyển
đổi khác được phát triển khá tốt. Sinh khối tăng lên khi các vụ mùa bội thu. Hạn
chế cơ bản đối với việc sử dụng ngày càng tăng nguồn sinh khối là chi phí cho
việc sản xuất, thu hoạch, và vận chuyển nguyên liệu cũng như công nghệ chuyển
đổi nhiên liệu. Với sự ủng hộ triển khai và RD&D trong những năm 2020-2030,
các cơng nghệ này có thể đạt được tính thương mại hóa.

1.4.3 Kỹ thuật của thế hệ thứ ba
1.4.3.1 Năng lượng mặt trời dạng tập trung
Có 3 dạng cơng nghệ năng lượng mặt trời dạng tập trung để sản xuất ra điện dựa
trên q trình nhiệt động học: máng parabơn, dĩa parabôn, và bộ thu năng lượng
dạng trung tâm. Giá điện do các công nghệ này sản xuất ra dao động từ
0.1USD/kWh đến 0.15USD/kWh. Các nỗ lực của RD&D tập trung chủ yếu vào
công nghệ máng parabôn. Để đạt được kết quả như mong muốn thì nguồn năng
lượng nhận được phải lớn hơn nguồn năng lượng hiện có được đề cập trong thực
tế. Điều kiện tối ưu cho năng lượng mặt trời dạng tập trung là khí hậu khơ hạn
hoặc bán khơ hạn. Điều kiện khí hậu như vậy chỉ có ở miền Nam Châu Âu, miền
Bắc và miền Nam Châu Phi, Trung Động, miền Tây Ấn Độ, Đông Bắc Brazil,
Nam Mêhicô, và miền Tây Nam Mỹ.
1.4.3.2 Năng lượng đại dương
Qua 20 năm, công nghệ về năng lượng đại dương nhận được quỹ RD&D tương
đối ít. Tuy nhiên, hiện nay có một nghiên cứu mới về lĩnh vực này và nhiều quan
điểm về mơ hình năng lượng này với qui mơ lớn dọc bờ biển Anh. Công nghệ
năng lượng đại dương vẫn cịn phải giải quyết hai vấn đề chính hiện nay: chứng
minh khả năng chuyển đổi năng lượng và vượt qua rủi ro về kỹ thuật rất lớn từ
môi trường khắc nghiệt. Các hạn chế khác không thuộc về kỹ thuật như: đánh giá
nguồn năng lượng, dự báo việc sản xuất năng lượng, dụng cụ thiết kế, các tiêu
chuẩn đo lường và thử nghiệm, tác động của môi trường, qui mơ trạm điện, và nhà
máy hai mục đích, có nghĩa là kết hợp năng lượng với mơ hình khác.
1.4.3.3 Hệ thống địa nhiệt
Hệ thống địa nhiệt được biết đến như là đá nóng khơ dùng cơng nghệ mới để khai
thác nguồn năng lượng mà trước đây được sử dụng không hiệu quả. Các hệ thống
HVTH:TrầnHoàngHuy

8

Luận văn thạc sĩ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

này vẫn còn trong giai đoạn nghiên cứu và cần thêm RD&D cho các nghiên cứu
mới và phát triển các nghiên cứu truyền thống, cũng như mở rộng các hệ thống
nhỏ đáp ứng nhu cầu kinh tế khi sản xuất. Nhiều vấn đề kỹ thuật cần nghiên cứu
được hỗ trợ tiền từ chính phủ và sự hợp tác tích cực với ngành cơng nghiệp để
khai thác nguồn năng lượng địa nhiệt kinh tế hơn cho chủ đầu tư. Tất cả các vấn
đề này liên quan chủ yếu đến việc khai thác nguồn năng lượng, công nghệ khoan
và việc phát điện, đặc biệt cho việc khai thác chu kì nhiệt độ thấp.
1.4.3.4 Hệ thống năng lượng sinh học kết hợp
Tuabin khí kết hợp sinh khối (BIG/GT) vẫn chưa được sử dụng một cách kinh tế,
nhưng nỗ lực thương mại hóa và quảng bá thì vẫn được tiếp diễn trên thế giới, và
mối quan tâm của thế giới có thể tiến tới việc triển khai thị trường này trong vịng
một vài năm nữa. Tính kinh tế tổng thể của việc phát điện dựa trên năng lượng
sinh khối nên phát huy đáng kể với hệ thống BIG/GT, tương phản với hệ thống
tuabin hơi nước
Các khái niệm về tinh chế sinh học cho nguyên liệu sinh khối có nguồn dự phịng
để đáp ứng tỷ lệ lớn nhu cầu năng lượng tương lai, đặc biệt là một khi các vụ thu
hoạch phù hợp với yêu cầu tinh chế sinh học được phát triển. Các nỗ lực RD&D
hiện tại tập trung vào việc giảm chi phí đồn điền, giảm tác động môi trường của
việc tinh chế sinh học và tạo ra nền công nghiệp năng lượng sinh học kết hợp có
thể liên kết nguồn năng lượng sinh học với việc sản xuất nhiều dạng năng lượng
khác và các nguyên vật liệu thành phẩm khác.
1.5 Đặc điểm của năng lượng mặt trời
Ngày nay người ta đã biết tận dụng nguồn năng lượng dồi dào từ mặt trời , gió,
sóng biển, các hóa thạch, …. Trong xu thế chung đó thì nguồn năng lượng từ
mặt trời và từ gió phát triển mạnh nhất trong những năm gần đây. Tuy nhiên cơ
bản của mọi nguồn năng lượng đều bắt nguồn từ năng lượng mặt trời. Năng

lượng mặt trời được chuyển từ quang năng sang điện năng với hiệu suất rất
thấp, theo lý thuyết là không thể vượt quá 50%.
1.5.1 Ưu điểm
 Ít tốn thời gian thiết kế, lắp đặt, và vận hành
 Có sẵn các mun nên chi phí mở rộng không phải là vấn đề quan trọng
 Nguồn điện ngõ ra đáp ứng nhu cầu tải đỉnh
 Kết cấu tónh, không gây tiếng ồn

HVTH:TrầnHồngHuy

9


Luận văn thạc sĩ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

 Có khả năng cung cấp năng lượng cao tính trên một đơn vị khối lượng
 Tuổi thọ kéo dài và ít phải bảo hành bảo trì vì không có các bộ phận
chuyển động
 Có tính di động cao vì kích thước gọn nheï
1.5.2 Khuyết điểm
 Giá thành tương đối cao
 Hiệu suất thấp
 Năng lượng phát ra không ổn định, phụ thuộc vào cường độ và nhiệt độ bức xạ

HVTH:TrầnHoàngHuy

10

Luận văn thạc sĩ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Tổng quan
Việc chuyển đổi quang điện là việc chuyển đổi trực tiếp quang năng thành điện
năng trong đó khơng có sự hiện diện của động cơ nhiệt. Thiết bị quang điện là
thiết bị chắc chắn, và đơn giản trong thiết kế nên ít phải bảo trì. Có lẽ do có nhiều
lợi ích như vậy nên người ta có thể xây dựng một hệ thống pin quang điện độc lập
để nâng công suất từ vài W lên đến hàng MW. Đó là lý do chúng được sử dụng
như nguồn cơng suất cho máy tính, đồng hồ, máy bơm nước, những tòa cao ốc ở
khu xa dân cư, thiết bị thông tin liên lạc, vệ tinh, phương tiện di chuyển trong
khơng gian, và thậm chí là cho nhà máy điện hàng MW. Các tấm pin mặt trời có
thể là các thành phần của một cao ốc như tấm lợp mái nhà hay tấm ốp tường. Với
ứng dụng như vậy, nhu cầu quang điện đang tăng dần mỗi năm. Năm 2003,
750MW công suất do các tấm pin mặt trời phát ra đã được bán ra và thị trường
càng tăng 30% mỗi năm trên tồn thế giới

Hình 2.1: Việc sản xuất các tấm pin mặt trời trên toàn thế giới
Trong những ngày đầu của việc sử dụng hệ thống pin quang điện những năm 1960,
1970, việc sản xuất ra một tế bào quang điện phải mất nhiều năng lượng hơn là
bản thân nó phát ra. Từ đó, sự cải tiến vượt bậc về hiệu suất và phương pháp sản
xuất luôn được quan tâm. Năm 1996, giai đoạn thu hồi vốn được đặt ra trong
HVTH:TrầnHoàngHuy
11

Luận văn thạc sĩ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

khoảng thời gian từ 2 năm rưỡi đến 5 năm, tuỳ thuộc phạm vi sử dụng. Trong khi
đó tuổi thọ các tấm pin quang điện tăng lên đến 25 năm. Chi phí cho các tấm pin
quang điện càng giảm từ 30USD/W đến 3USD/W trong suốt 3 thập kỉ qua và dự
định sẽ giảm 1USD/W trong 10 năm tới. Thậm chí là giảm từ 5USD/W -7USD/W
đến 3USD/W cho ứng dụng pin quang điện nối lưới, một ứng dụng có giá cả rất
đắt.
Để giảm chi phí phát sinh, hiệu suất của pin quang điện phải được tăng lên và chi
phí sản xuất sẽ phải giảm. Hiện tại, hiệu suất của các tấm quang điên là 15%. Trở
ngại chính của hiệu suất pin quang điện là băng thông của vật liệu bán dẫn chế tạo
pin quang điện. Khi lượng tử ánh sáng lớn hơn hoặc bằng băng thơng của vật liệu
thì có thể giải phóng 1 electron khi nó được vật liệu hấp thu. Tuy nhiên, những
lượng tử ánh sáng có năng lượng thấp hơn dãy bước sóng thì khơng xảy ra hiện
tượng trên. Khi được tế bào quang điện hấp thụ, chúng chỉ sản sinh nhiệt. Đối với
lượng tử ánh sáng có nhiều năng lượng hơn dãy bước sóng, năng lượng vượt mức
sẽ khơng có có tác dụng trong việc phát điện. Năng lượng vượt mức đó đơn giản
chỉ làm nóng tế bào quang điện. Các lý do trên được xem xét sao cho giới hạn cực
đại theo lý thuyết về hiệu suất của tế bào quang điện một lớp mối nối truyền thống
nhỏ hơn 25%. Hiệu suất thực sự thậm chí thấp hơn do hiện tượng phản xạ ánh
sáng từ bề mặt của tế bào quang điện, hiện tượng bóng mờ của tế bào quang điện
do tiếp điểm lấy dòng điện, điện trở bên trong của tế bào quang điện, và sự tái hợp
trở lại của electron và lỗ trống trước khi chúng có thể tạo thành dòng điện.
Hạn chế từ việc hấp thu bước sóng năng lượng mặt trời có thể được khắc phục một
phần bằng cách dùng nhiều lớp tế bào quang điện xếp chồng lên nhau, mỗi lớp tế
bào bên trên có bước sóng cao hơn lớp tế bào bên dưới. Ví dụ, nếu lớp tế bào bên
trên được làm từ vật liệu A (bước sóng là A), bức xạ mặt trời có bước sóng ít hơn

A sẽ được hấp thụ để cho ngõ ra bằng với vùng được tô đen A.
Bức xạ mặt trời có bước sóng lớn hơn A sẽ ngang qua A và được chuyển đổi để
cho ngõ ra bằng với vùng tơ đen B. Vì vậy ngõ ra tổng và hiệu suất của dạng tế
bào xếp chồng sẽ cao hơn ngõ ra và hiệu suất của mỗi tế bào riêng rẽ. Hiệu suất
của tế bào nhiều lớp có thể cao hơn khoảng 50% tế bào tương ứng. Hiệu suất sẽ
tăng cùng với số lớp tế bào. Với lý thuyết này, mỗi lớp phải càng mỏng càng tốt.
Việc này sẽ rất khó đạt được nếu khơng phải là tế bào tinh thể Si hay đa tinh thể Si
được chế tạo nhiều lớp. Kết quả là quan điểm này đang được xem xét chủ yếu cho
tế bào quang điện vơ định hình dạng phim mỏng hoặc dạng vi tinh thể. Hiệu suất
lúc này là 24.7%
HVTH:TrầnHoàngHuy

12


Luận văn thạc sĩ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

2.2 Lịch sử phát triển pin quang điện
Hiệu ứng quang điện được khám phá ra vào năm 1839 do nhà vật lý học
Becquerel. Nó được duy trì trong phòng thí nghiệm đến năm 1954, khi phòng thí
nghiệm Bell sản xuất pin quang điện Si đầu tiên. Nó sớm được áp dụng trong
chương trình không gian Mỹ dùng cho thiết bị nhỏ gọn nhưng có công suất lớn. Từù
đó, nó là nguồn điện quan trọng dùng cho các vệ tinh. Ngày nay, kỹ thuật quang
điện đã mở rộng sang các ứng dụng trên mặt đất ở những khu xa xôi, hẻo lánh mà
lưới điện không thể tới được. Ngoài ra nó còn cung cấp điện trở lại cho lưới điện

Năm

1839

1877

1883
1904
1927

1941
1954
1958

Sự kiện
Antoine-César Becquerel, nhà vật lý người Pháp, khám phá hiệu ứng
quang điện. Trong thí nghiệm của ông, ông đã phát hiện việc điện áp
được sinh ra khi điện cực rắn trong dung dịch điện phân được phơi
dưới ánh sáng.
W.G. Adams và R.E. quan sát hiệu ứng quang điện trong chất Se rắn.
Họ chế tạo tế bào quang điện Se đầu tiên và xuất bản cuốn “Tác động
của ánh sáng lên Se” trong kỉ yếu của hội Hoàng Gia
Charles Fritz chế tạo ra cái được xem là tế bào quang điện thực sự đầu
tiên. Ông phủ lớp vàng cực mỏng lên tế bào bán dẫn Se. Tế bào quang
điện của ơng có hiệu suất thấp hơn 1%
Albert Einstein phát hành bài báo về hiệu ứng quang điện
Một loại tế bào quang điện mới được phát triển dùng đồng và bán dẫn
đồng oxit. Thiết bị này cũng có hiệu suất thấp hơn 1%. Cả Se và đồng
oxit đều được ứng dụng trong đồng hồ đo ánh sáng dùng cho nhiếp ảnh
Russell Ohl phát triển tế bào quang điện Si. Việc cải tiến tế bào quang
điện cho hiệu suất đạt được là 6% khi ánh sáng chiếu trực tiếp
Phịng thí nghiệm Bell đạt được hiệu suất 4% đối với tế bào quang điện

Si. Sau đó khơng lâu, hiệu suất được nâng lên 6% và 11%
Các tế bào quang điện được ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực không
gian trên vệ tinh Vanguard

2.3 Phân loại pin quang điện
Hệ thống pin quang điện được phân loại như sau:
-

Tế bào quang điện (cell)

HVTH:TrầnHoàngHuy

13


Luận văn thạc sĩ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

-

Tấm pin quang điện (module)

-

Hệ thống pin quang điện (array)

Hình 2.2: Phân loại pin quang điện

2.3.1 Tế bào quang điện

2.3.1.1 Cấu tạo tế bào quang điện

Mối nối p-n
Tế bào quang điện được chế tạo bằng Si, GaAs, CIS, CdTe, và một số vật liệu
khác. Điểm chung của các loại pin quang điện là mối nối p-n hoặc tương đương
như mối nối Schottky. Do đó việc hiểu mối nối p-n là hiểu được nguyên tắc hoạt
động của pin quang điện , xem hình 2.3
Mối nối bao gồm lớp n là Si kết hợp với lớp p cũng là Si, giữa hai mối nối khơng
có lớp tinh thể Si nào khác. Lớp n có nhiều electron tự do và lớp p có nhiều lỗ
trống tự do. Dưới điều kiện cân bằng nhiệt, mối quan hệ giữa mật độ eletron và lỗ
trống là
np=ni2

(2.1)

Trong đó: ni là mật độ xấp xỉ electron hoặc lỗ trống trong vật liệu khơng thuần
khiết. Khi có sự lẫn tạp chất thì nNd và pNa, trong đó Nd và Na là mật độ bên
cho và bên nhận. Ví dụ Si thì ni  1.5x1010cm-3 ở nhiệt độ T= 300K , trong khi
đó Nd và Na có thể lớn hơn 1021cm-3. Vì vậy, nếu Nd = 1018 trên phía n của mối
nối thì p=2.25x102cm-3

HVTH:TrầnHoàngHuy

14


Luận văn thạc sĩ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

Hình 2.3: mối nối p-n cho thấy sự trao đổi, khuếch tán electron và lỗ trống
Cả hai electron và lỗ trống đều phụ thuộc vào sự khuếch tán ngẫu nhiên trong cấu
trúc tinh thể Si, vì thế mỗi tinh thể có xu hướng khuếch tán từ những vùng tập
trung cao sang vùng tập trung thấp. Sự chênh lệch mật độ lớn của lỗ trống và
electron giữa mặt n và mặt p của mối nối gây ra độ dốc tập trung lớn bên trong
mối nối. Kết quả là electron sẽ di chuyển qua lớp p và lỗ trống sẽ di chuyển qua
lớp n như hình vẽ 2.3
Trước khi tạo thành mối nối, cả hai mặt của mối nối đều trung tính về điện. Mỗi
electron tự do trên mặt n của mối nối xuất phát từ thành phần có lẫn tạp chất là
chất cho electron trung tính, như As, trong khi đó mỗi lỗ trống tự do trên mặt p
của mối nối xuất phát từ thành phần có chứa tạp chất là chất cho các lỗ trống trung
tính (chất nhận electron) , như B (boron). Khi các electron mang điện âm rời
nguyên tử As , nguyên tử As trở thành ion As mang điện dương. Tương tự như
vậy, khi các lỗ trống mang điện dương rời nguyên tử B, nguyên tử B trở thành ion
B mang điện âm. Do đó, khi electron khuếch tán sang mặt p của mối nối, chúng để
lại những ion cho là những điện tử mang điện dương , chúng sẽ dính vào mạng
tinh thể Si. Khi lỗ trống khuếch tán sang mặt n của mối nối, chúng sẽ để lại ion
cho là các lỗ trống mang điện âm, chúng sẽ dính vào mạng tinh thể Si ở phía mặt p
của mối nối. Việc khuếch tán các hạt mang điện qua mối nối tạo nên điện trường
bên trong mối nối, hướng từ ion dương trên mặt n sang ion âm trên mặt p, như trên
hình 2.3. Luật Gauss yêu cầu đường điện trường bắt đầu điện tích dương và kết
thúc ở điện tích âm, vì thế số lượng điện tích dương trong lớp n phải bằng số điện
tích âm trong lớp p.
Điện trường tác động lực vào các phần tử mang điện theo quan hệ quen thuộc
f=qE. Lực này tạo ra các phần tử mang điện để trao đổi. Trong trường hợp lỗ trống
được sạc điện dương , chúng trao đổi theo hướng của điện trường, … từ mặt n đến
HVTH:TrầnHoàngHuy

15

Luận văn thạc sĩ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

mặt p của mối nối. Các electron mang điện âm trao đổi theo hướng điện trường
ngược lại từ mặt p đến mặt n của mối nối. Nếu khơng có ngoại lực nào khác ngồi
nhiệt độ, thì dịng chảy lỗ trống cân bằng theo hai hướng và dòng chảy electron
cân bằng theo hai hướng, dẫn đến dòng chảy thực thấp nhất của lỗ trống hoặc
electron qua mối nối. Cái này được gọi là luật cân bằng chi tiết, luật này phù hợp
với luật Kirchoff.
Phân tích dịng chảy electron và lỗ trống trong mối nối đã đưa đến phương trình
diode quen thuộc
I = I0(e

qV
kT

-1)

(2.2)

Trong đó q là điện tích , k là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ mối nối (K), và V là
điện áp bên ngoài trong lớp mối nối từ mặt p sang mặt n của mối nối
Lớp mối nối p-n được chiếu sáng
Hình 2.4 bên dưới minh họa hiệu ứng lượng tử ánh sáng khi va chạm vùng mối nối
Năng lượng của lượng tử ánh sáng được cho bởi phương trình 2.3

e = hv =

hc


(2.3)

Trong đó  là bước sóng của lượng tử ánh sáng, h là hằng số Planck (6.625x10-34
Js), và c là tốc độ ánh sáng (3x108m/s)
Năng lượng của lượng tử ánh sáng có đơn vị là eV bằng 1.24/, nếu  được đo
bằng đơn vị m (1eV= 1.6x10-19J). Nếu một lượng tử ánh sáng có năng lượng
bằng hoặc vượt quá năng lượng dãy bước sóng của bán dẫn trong lớp mối nối p-n
thì nó có thể tạo ra cặp electron lỗ trống. Đối với Si, dãy bước sóng là 1.1eV , vì
thế nếu bước sóng lượng tử ánh sáng nhỏ hơn 1.13m, là vùng gần vùng hồng
ngoại, thì lượng tử ánh sáng sẽ có đủ năng lượng để phát ra cặp electron lỗ trống.
Mặc dù lượng tử ánh sáng có năng lượng cao hơn năng lượng của dãy bước sóng
được hấp thụ, nhưng một lượng tử ánh sáng chỉ có thể tạo ra một cặp electron lỗ
trống. Năng lượng vượt mức của lượng tử ánh sáng được thải ra dưới dạng nhiệt.
Khi lượng tử ánh sáng đi vào trong vật liệu, mật độ của dòng lượng tử phụ thuộc
hằng số hấp thụ, hằng số này lại phụ thuộc bước sóng . Mật độ của dịng lượng
tử ánh sáng như chức năng thâm nhập sâu vào trong vật liệu được cho bởi F(x) =
F0e-x , trong đó x là độ sâu của sự thâm nhập vào trong vật liệu . Tối ưu hóa sự
hấp thụ lượng tử ánh sáng cho phép mối nối có giá trị trong khoảng 1/ độ dày bề
HVTH:TrầnHoàngHuy

16