Hiệu ứng Quang điện là gì?

Hiệu ứng mà năng lượng ánh sáng được chuyển đổi thành năng lượng điện trong một số vật liệu bán dẫn được gọi là hiệu ứng quang điện. Điều này trực tiếp chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện mà không cần bất kỳ quá trình trung gian nào. Để minh họa cho hiệu ứng quang điện, chúng ta hãy giả sử có một khối tinh thể silicon.
Phần trên của khối này được pha tạp với các tạp chất cho và phần dưới được pha tạp với các tạp chất nhận. Do đó, nồng độ electron tự do rất cao ở vùng n so với vùng p và nồng độ lỗ rỗng rất cao ở vùng p so với vùng n của khối. Sẽ có một gradient nồng độ cao của các hạt mang điện qua đường nối của khối. Các electron tự do từ vùng n cố gắng khuếch tán sang vùng p và các lỗ rỗng ở vùng p cố gắng khuếch tán sang vùng n trong tinh thể. Điều này là vì các hạt mang điện theo bản chất luôn có xu hướng khuếch tán từ vùng có nồng độ cao sang vùng có nồng độ thấp. Mỗi electron tự do từ vùng n khi đi đến vùng p do khuếch tán, nó để lại một ion cho dương phía sau nó ở vùng n.

Điều này là vì mỗi electron tự do ở vùng n được cung cấp bởi một nguyên tử cho trung tính. Tương tự, khi một lỗ rỗng khuếch tán từ vùng p sang vùng n, nó để lại một ion nhận âm phía sau nó ở vùng p.

Do mỗi lỗ rỗng được cung cấp bởi một nguyên tử nhận ở vùng p. Cả hai loại ion này, tức là ion cho và ion nhận, đều không di chuyển và cố định tại vị trí của chúng trong cấu trúc tinh thể. Không cần phải nói rằng những electron tự do ở vùng n gần nhất với vùng p sẽ đầu tiên khuếch tán vào vùng p, tạo ra một lớp ion cho dương không di chuyển ở vùng n liền kề với đường nối.

Tương tự, những lỗ rỗng tự do ở vùng p gần nhất với vùng n sẽ đầu tiên khuếch tán vào vùng n, tạo ra một lớp ion nhận âm không di chuyển ở vùng p liền kề với đường nối. Những lớp ion dương và âm này tạo ra một trường điện qua đường nối, hướng từ dương sang âm, tức là từ vùng n sang vùng p. Bây giờ, do sự hiện diện của trường điện này, các hạt mang điện trong tinh thể trải qua một lực để trôi theo hướng của trường điện. Như chúng ta biết, điện tích dương luôn trôi theo hướng của trường điện, do đó, các lỗ rỗng mang điện dương (nếu có) ở vùng n bây giờ sẽ trôi về phía p của đường nối.

Ngược lại, các electron mang điện âm ở vùng p (nếu có) sẽ trôi về vùng n, vì điện tích âm luôn trôi ngược với hướng của trường điện. Qua một đường nối p-n, khuếch tán và trôi của các hạt mang điện tiếp tục diễn ra. Khuếch tán của các hạt mang điện tạo ra và tăng độ dày của hàng rào tiềm năng qua đường nối, trong khi trôi của các hạt mang điện giảm độ dày của hàng rào. Trong điều kiện cân bằng nhiệt bình thường và không có lực bên ngoài, khuếch tán của các hạt mang điện bằng và ngược với trôi của các hạt mang điện, do đó độ dày của hàng rào tiềm năng giữ nguyên.

Bây giờ, bề mặt vùng n của khối tinh thể silicon được phơi sáng dưới ánh nắng mặt trời. Một số photon được hấp thụ bởi khối silicon. Một số photon được hấp thụ sẽ có năng lượng lớn hơn khoảng cách giữa dải valence và dải dẫn của các electron valence của các nguyên tử silicon. Do đó, một số electron valence trong liên kết cộng hóa trị sẽ bị kích thích và nhảy ra khỏi liên kết, để lại một lỗ rỗng trong liên kết. Theo cách này, các cặp electron-lỗ rỗng được tạo ra trong tinh thể do ánh sáng chiếu vào. Các lỗ rỗng của các cặp electron-lỗ rỗng được tạo ra bởi ánh sáng ở vùng n có khả năng tái hợp cao với số lượng lớn electron (các hạt mang điện đa số). Do đó, tấm pin mặt trời được thiết kế sao cho các electron hoặc lỗ rỗng được tạo ra bởi ánh sáng không có đủ cơ hội để tái hợp với các hạt mang điện đa số.

Vật liệu bán dẫn (silicon) được pha tạp sao cho đường nối p-n hình thành rất gần với bề mặt phơi sáng của tế bào. Nếu một cặp electron-lỗ rỗng được tạo ra trong phạm vi khuếch tán của các hạt mang điện thiểu số, electron của cặp electron-lỗ rỗng sẽ trôi về vùng n và lỗ rỗng của cặp sẽ bị cuốn về vùng p do ảnh hưởng của trường điện của đường nối, và do đó, trung bình, nó sẽ đóng góp vào dòng điện trong mạch ngoại vi.

Tuyên bố: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.