Nguyên lý hoạt động của Tấm pin mặt trời hoặc Tấm pin quang điện

Quá trình chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng dựa trên một hiện tượng gọi là hiệu ứng quang điện. Khi các vật liệu bán dẫn được phơi dưới ánh sáng, một số photon của tia sáng bị hấp thụ bởi tinh thể bán dẫn, gây ra sự gia tăng đáng kể số lượng electron tự do trong tinh thể. Đây là lý do cơ bản để tạo ra điện năng nhờ hiệu ứng quang điện. Tế bào quang điện là đơn vị cơ bản của hệ thống, nơi hiệu ứng quang điện được sử dụng để tạo ra điện năng từ năng lượng ánh sáng. Silicon là vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi nhất để xây dựng tế bào quang điện. Nguyên tử silicon có bốn electron valence. Trong tinh thể rắn, mỗi nguyên tử silicon chia sẻ mỗi một trong bốn electron valence của nó với nguyên tử silicon gần nhất, tạo nên liên kết cộng hóa trị giữa chúng. Bằng cách này, tinh thể silicon có cấu trúc mạng tetraedric. Khi tia sáng chiếu vào bất kỳ vật liệu nào, một phần ánh sáng được phản xạ, một phần đi xuyên qua vật liệu và phần còn lại được hấp thụ bởi vật liệu.

Điều tương tự cũng xảy ra khi ánh sáng chiếu lên tinh thể silicon. Nếu cường độ ánh sáng chiếu đủ mạnh, số lượng photon hấp thụ đủ lớn, và những photon này sẽ kích thích một số electron của liên kết cộng hóa trị. Những electron được kích thích này sau đó nhận đủ năng lượng để di chuyển từ dải valence sang dải dẫn. Khi mức năng lượng của những electron này nằm trong dải dẫn, chúng rời khỏi liên kết cộng hóa trị, để lại lỗ hổng trong liên kết sau mỗi electron bị loại bỏ. Những electron tự do này di chuyển ngẫu nhiên bên trong cấu trúc tinh thể của silicon. Những electron tự do và lỗ hổng này đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra điện năng trong tế bào quang điện. Những electron và lỗ hổng này được gọi là electron và lỗ hổng do ánh sáng tạo ra tương ứng. Những electron và lỗ hổng do ánh sáng tạo ra không thể tạo ra điện năng chỉ riêng trong tinh thể silicon. Cần có một cơ chế bổ sung để làm điều đó.

Khi một tạp chất pentavalent như photpho được thêm vào silicon, bốn electron valence của mỗi nguyên tử photpho pentavalent được chia sẻ thông qua liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử silicon láng giềng, và electron valence thứ năm không có cơ hội tạo ra liên kết cộng hóa trị.

Electron thứ năm này sau đó bị ràng buộc tương đối lỏng lẻo với nguyên tử cha của nó. Ngay cả ở nhiệt độ phòng, năng lượng nhiệt có sẵn trong tinh thể cũng đủ để tách rời những electron thứ năm này tương đối lỏng lẻo khỏi nguyên tử photpho cha. Khi electron thứ năm này tách rời khỏi nguyên tử photpho cha, nguyên tử photpho trở thành ion dương bất động. Electron đã tách rời trở thành tự do nhưng không có liên kết cộng hóa trị hoặc lỗ hổng trong tinh thể để tái liên kết. Những electron tự do này từ tạp chất pentavalent luôn sẵn sàng để dẫn điện trong bán dẫn. Mặc dù có nhiều electron tự do, nhưng chất vẫn trung hòa điện vì số lượng ion photpho dương bị khóa trong cấu trúc tinh thể chính xác bằng số lượng electron tự do thoát ra từ chúng. Quá trình đưa tạp chất vào bán dẫn được gọi là đốt, và tạp chất được đốt được gọi là dopants. Các dopants pentavalent, cung cấp electron thứ năm tự do cho tinh thể bán dẫn, được gọi là donors. Các bán dẫn được đốt bởi dopants donor được gọi là bán dẫn n-type hoặc bán dẫn âm vì có nhiều electron tự do mang điện âm.

Khi thay vì các nguyên tử photpho pentavalent, các nguyên tử tạp chất trivalent như bo được thêm vào tinh thể bán dẫn, loại bán dẫn ngược lại sẽ được tạo ra. Trong trường hợp này, một số nguyên tử silicon trong lưới tinh thể sẽ được thay thế bằng các nguyên tử bo, nói cách khác, các nguyên tử bo sẽ chiếm vị trí của các nguyên tử silicon bị thay thế trong cấu trúc lưới. Ba electron valence của nguyên tử bo sẽ ghép đôi với electron valence của ba nguyên tử silicon láng giềng để tạo ra ba liên kết cộng hóa trị hoàn chỉnh. Đối với cấu hình này, sẽ có một nguyên tử silicon cho mỗi nguyên tử bo, electron valence thứ tư của nó sẽ không tìm thấy electron valence của các nguyên tử láng giềng để hoàn thành liên kết cộng hóa trị thứ tư. Do đó, electron valence thứ tư của các nguyên tử silicon này vẫn chưa ghép đôi và hành xử như một liên kết không hoàn chỉnh. Vì vậy, sẽ thiếu một electron trong liên kết không hoàn chỉnh, và do đó, liên kết không hoàn chỉnh luôn thu hút electron để bù đắp sự thiếu hụt này. Như vậy, có một chỗ trống cho electron ngồi.

Chỗ trống này được gọi là lỗ hổng dương. Trong bán dẫn được đốt bằng tạp chất trivalent, một số lượng đáng kể liên kết cộng hóa trị liên tục bị phá vỡ để hoàn thành các liên kết cộng hóa trị không hoàn chỉnh khác. Khi một liên kết bị phá vỡ, một lỗ hổng được tạo ra trong nó. Khi một liên kết được hoàn thành, lỗ hổng trong nó biến mất. Theo cách này, một lỗ hổng xuất hiện để biến mất một lỗ hổng láng giềng khác. Do đó, các lỗ hổng có chuyển động tương đối bên trong tinh thể bán dẫn. Từ góc độ đó, có thể nói rằng các lỗ hổng cũng có thể di chuyển tự do như electron tự do bên trong tinh thể bán dẫn. Vì mỗi lỗ hổng có thể chấp nhận một electron, các tạp chất trivalent được gọi là dopants acceptor và các bán dẫn được đốt bằng dopants acceptor được gọi là bán dẫn p-type hoặc bán dẫn dương.

Trong bán dẫn n-type, chủ yếu các electron tự do mang điện âm và trong bán dẫn p-type, chủ yếu các lỗ hổng mang điện dương, do đó, electron tự do trong bán dẫn n-type và lỗ hổng tự do trong bán dẫn p-type được gọi là các hạt mang đa số trong bán dẫn n-type và p-type tương ứng.

Luôn có một rào cản tiềm năng giữa vật liệu n-type và p-type. Rào cản tiềm năng này là cần thiết cho hoạt động của tế bào quang điện hoặc tế bào mặt trời. Khi bán dẫn n-type và p-type tiếp xúc với nhau, các electron tự do gần bề mặt tiếp xúc của bán dẫn n-type gặp nhiều lỗ hổng của vật liệu p-type. Do đó, các electron tự do trong bán dẫn n-type gần bề mặt tiếp xúc nhảy vào các lỗ hổng gần đó của vật liệu p-type để tái hợp. Không chỉ electron tự do, mà cả electron valence của vật liệu n-type gần bề mặt tiếp xúc cũng thoát ra khỏi liên kết cộng hóa trị và tái hợp với các lỗ hổng gần đó trong bán dẫn p-type. Khi các liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ, sẽ có một số lỗ hổng được tạo ra trong vật liệu n-type gần bề mặt tiếp xúc. Do đó, gần vùng tiếp xúc, các lỗ hổng trong vật liệu p-type biến mất do tái hợp, trong khi lỗ hổng xuất hiện trong vật liệu n-type gần cùng vùng tiếp xúc. Điều này tương đương với sự di chuyển của lỗ hổng từ p-type sang n-type. Vì vậy, ngay khi một bán dẫn n-type và một bán dẫn p-type tiếp xúc, electron từ n-type sẽ chuyển sang p-type và lỗ hổng từ p-type sẽ chuyển sang n-type. Quá trình này rất nhanh nhưng không kéo dài mãi. Sau một thời gian ngắn, sẽ có một lớp điện tích âm (dư thừa electron) trong bán dẫn p-type gần bề mặt tiếp xúc. Tương tự, sẽ có một lớp điện tích dương (ion dương) trong bán dẫn n-type gần bề mặt tiếp xúc. Độ dày của các lớp điện tích âm và dương tăng lên đến một mức độ nhất định, nhưng sau đó, không có electron nào nữa sẽ di chuyển từ bán dẫn n-type sang p-type. Điều này là vì, khi bất kỳ electron nào của bán dẫn n-type cố gắng di chuyển sang bán dẫn p-type, nó sẽ gặp một lớp ion dương đủ dày trong bán dẫn n-type, nơi nó sẽ rơi xuống mà không vượt qua. Tương tự, lỗ hổng sẽ không di chuyển nữa sang bán dẫn n-type từ p-type. Khi lỗ hổng cố gắng vượt qua lớp điện tích âm trong bán dẫn p-type, chúng sẽ tái hợp với electron và không di chuyển về phía vùng n-type.

Nói cách khác, lớp điện tích âm ở phía p-type và lớp điện tích dương ở phía n-type cùng tạo thành một rào cản ngăn chặn sự di chuyển của các hạt mang từ một bên sang bên kia. Tương tự, các lỗ hổng trong khu vực p-type bị giữ lại không cho vào khu vực n-type. Do lớp điện tích dương và âm, sẽ có một trường điện qua khu vực và khu vực này được gọi là vùng cạn kiệt.

Bây giờ hãy xem xét tinh thể silicon. Khi tia sáng chiếu lên tinh thể, một phần ánh sáng bị hấp thụ bởi tinh thể, và do đó, một số electron valence bị kích thích và thoát ra khỏi liên kết cộng hóa trị, tạo ra cặp electron-lỗ hổng tự do.

Nếu ánh sáng chiếu lên bán dẫn n-type, các electron từ các cặp electron-lỗ hổng do ánh sáng tạo ra không thể di chuyển sang khu vực p vì chúng không thể vượt qua rào cản tiềm năng do lực đẩy của trường điện qua vùng cạn kiệt. Đồng thời, các lỗ hổng do ánh sáng tạo ra vượt qua vùng cạn kiệt do lực hút của trường điện của vùng cạn kiệt, nơi chúng tái hợp với electron, và sự thiếu hụt electron ở đây được bù đắp bởi electron valence của khu vực p, tạo ra nhiều lỗ hổng trong khu vực p. Do đó, các lỗ hổng do ánh sáng tạo ra được chuyển sang khu vực p, nơi chúng bị mắc kẹt vì một khi chúng đến khu vực p, chúng không thể trở lại khu vực n-type do lực đẩy của rào cản tiềm năng.

Vì điện tích âm (electron do ánh sáng tạo ra) bị mắc kẹt ở một bên và điện tích dương (lỗ hổng do ánh sáng tạo ra) bị mắc kẹt ở bên kia của tế bào, sẽ có một điện áp giữa hai bên của tế bào. Điện áp này thường là 0.5 V. Đó là cách tế bào quang điện hoặc tế bào mặt trời tạo ra điện áp.

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