Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời
- cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời dựa trên nguyên lý hiệu ứng “ quang điện ” hiệu ứng quang điện tạo ra dòng điện bằng cách chuyển đổi năng lượng mặt trời dưới dạng ánh sáng nhìn thấy được, tia cực tím (UV) hoặc bức xạ hồng ngoại (IR) thành dòng điện trực tiếp .
– Các tế bào quang điện (PV) là các thiết bị bán dẫn được làm từ các tấm silicon có độ tinh khiết cao (Si) được pha tạp với các tạp chất đặc biệt, cho chúng nhiều “electron” và “lỗ” trong cấu trúc mạng của chúng
– Các tế bào năng lượng mặt trời quang điện tạo ra một dòng điện DC có thể biến đổi tỷ lệ thuận với kích thước của chúng và lượng bức xạ mặt trời rơi trên tấm silicon. chúng không lưu trữ năng lượng, nhưng chúng có thể được coi là một dạng pin tạo ra điện áp đầu ra cố định khoảng 0,5 volt đến 0,6 volt tùy thuộc vào chất liệu cấu tạo lên tấm pin năng lượng mặt trời.
– Các tế bào quang điện ( pv ) thực chất là các thiết bị bán dẫn silic, chúng bao gồm một lớp loại P ( dương ) và một lớp N ( âm ) được ghép nối với nhau để tạo thành một “Liên kết p/n”
– Khi 2 lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch về mật độ các hạt dẫn nên các điện tử ( electron ) sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang p, lỗ trống khuếch tán ngược lại từ bán dẫn p sang n. Sự khuếch tán này làm cho phần bán dẫn n sát lớp tiếp xúc tích sẽ điện dương, còn phần bán dẫn p ngay đối diện sẽ tích điện âm. Trong miền tiếp xúc lúc này hình thành điện trường Utx hướng từ bán dẫn lớp n sang lớp p “ Utx sẽ ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các hạt dẫn qua lớp tiếp xúc “. Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, cặp electron – lỗ trống được tạo thành, bị tách ra dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc Utx và bị gia tốc về các phía đối diện tạo thành một sức điện động quang điện. Sức điện động quang điện phụ thuộc vào bản chất chất của loại bán dẫn, nhiệt độ bề mặt lớp tiếp xúc, bước sóng và cường độ ánh sáng tới bề mặt vật liệu tiếp xúc .
Điện tử và lỗ trống quang sinh trong vùng tiếp xúc bị điện trường Utx
- Sự chuyển động của các lỗ dẫn đến sự thiếu hụt các electron trong silicon chuyển toàn bộ tinh thể pha tạp thành một cực dương. Do đó, vật liệu bán dẫn loại P có nhiều lỗ electron hơn và khi mỗi nguyên tử tạp chất tạo ra một lỗ , cả hai loại vật liệu bán dẫn loại N và loại P đều trung hòa về điện, nhưng khi hai vật liệu bán dẫn này lần đầu tiên kết hợp một số electron tự do di chuyển qua đường giao nhau để lấp đầy các lỗ trong vật liệu loại P tạo ra các ion âm , nhưng bởi vì các electron đã di chuyển chúng để lại các ion dương trên mặt N âm và các lỗ di chuyển qua ngã ba theo hướng ngược lại vào khu vực nơi có số lượng lớn các electron tự do. Chuyển động của các electron và lỗ trên giao lộ được gọi là khuếch tán .
– Quá trình này tiếp tục cho đến khi số lượng các electron vượt qua đường giao nhau có điện tích đủ lớn để đẩy lùi hoặc ngăn chặn bất kỳ các phần tử nào khác vượt qua ngã ba. Cuối cùng, trạng thái cân bằng (tình trạng trung hòa điện) sẽ xuất hiện tạo ra một vùng “ Rào cản tiềm năng ” xung quanh khu vực của đường giao nhau khi các nguyên tử electron đẩy lùi các lỗ .
– Tầm quan trọng của sự tích hợp này là nó phản đối cả dòng chảy của lỗ và electron trên đường giao nhau và đó là lý do tại sao nó được gọi là rào cản tiềm tàng electron . Ánh sáng mặt trời là bức xạ điện từ gồm các đơn vị năng lượng ánh sáng rất nhỏ được gọi là photon. Khi photon dưới dạng ánh sáng mặt trời chiếu vào hoặc chạm vào điểm tiếp xúc PN của vật liệu bán dẫn của mặt trời, năng lượng từ photon sẽ biến mất hoặc đánh rơi bất kỳ electron tự do nào trong đường giao nhau PN này khi chúng bị kích thích bởi năng lượng photon. Điều này dẫn đến các electron được giải phóng và có thể di chuyển tự do để lại vị trí của nó một lỗ hoặc một điện tích dương.
– Trong vật liệu loại P, các electron tự do này dễ dàng xuyên qua lớp tiếp xúc để vào vật liệu loại N, nhưng chuyển động của electron này là một chiều, vì các electron không thể vượt qua lớp suy giảm trở lại lớp P. Kết quả là dư thừa các electron tự do tích tụ trong vật liệu bán dẫn loại N tạo ra dòng điện trong tấm pin mặt trời và nó sẽ tiếp tục diễn ra vô thời hạn nếu vẫn đủ điều kiện có tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.
Khi mặt tích cực và tiêu cực của đường giao nhau được tạo ra, pin mặt trời quang điện hoạt động như một loại pin tạo ra cả điện áp và dòng điện DC. Sau đó, một pin mặt trời biến photon thành các electron dưới dạng dòng điện. Dây điện nhỏ làm bằng kim loại được kết nối với cả vật liệu bán dẫn loại P và loại N để kết nối các lớp tiếp xúc PN với nhau tạo ra dòng điện DC như hình dưới đây.
- Lớp bán dẫn P-N có tính chỉnh lưu như một diode , chỉ cho electron dẫn và lỗ trống dẫn trong vùng tiếp xúc di chuyển về phía bán dẫn lớp N và bán dẫn lớp P tương ứng , nối các đầu bán dẫn bằng một dây dẫn điện thì trong dây xuất hiện dòng điện i đi theo chiều từ bán dẫn P qua tải về bán dẫn N (Lưu ý rằng chỉ có các cặp điện tử-lỗ trống được tạo ra ở miền tiếp xúc hoặc cách bờ miền tiếp xúc một khoảng gọi là độ dài khuếch tán trung bình của cặp điện tử-lỗ trống thì mới bị điện trường tiếp xúc tách ra và tạo ra dòng quang điện )
- Công suất P ( max ) mà tế bào có thể cung cấp theo watt được tính theo điện áp của tế bào ( volt ) nhân với dòng điện tối đa I :
