Tế bào quang điện

Tế bào quang điện, hay còn gọi pin mặt trời, được chế tạo sao cho ánh sáng mặt trời chiếu vào sẽ chuyển đổi thành điện năng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tế bào quang điện Tế bào quang điện Tế bào quang điện, hay còn gọi pin mặt trời, được chế tạo sao cho ánhsáng mặt trời chiếu vào sẽ chuyển đổi thành điện năng.Pin mặt trời hoạt động theo một nguyên lý đơn giản, gọi là hiệu ứng quangđiện (photoelectric effect), theo đó các hạt tích điện sẽ được giải phóng rakhỏi vật liệu khi hấp thụ năng lượng mặt trời. Nguyên lý này được sử dụng trong tế bào quang điện để chuyển đổi quangnăng thành điện năng. Tuy nhiên, năng suất năng lượng từ mỗi pin quang điện rấtthấp và phải dùng nhiều pin để tạo ra được một dòng điện vừa phải. Tổng hiệu suất của các pin này khá thấp, chỉ từ 10-15% lượng ánh sáng mặttrời chiếu vào pin được chuyển đổi thành điện. Các nhà khoa học đã tạo ra cácbước đột phá trong công nghệ quang điện. Năm 2003, các nhà nghiên cứu ởCalifornia công bố đã phát triển được các tế bào quang điện có khả năng chuyểnđổi 36,9% năng lượng mặt trời thành điện năng. Điều này có thể so sánh với cácnhà máy chạy bằng nhiên liệu hóa thạch với hiệu suất 34%. Các tiến bộ như thế đã giúp mở ra cánh cửa cho việc ứng dụng rộng rãi nănglượng mặt trời. Nhiều người hy vọng rằng những bước đột phá khác về mặt côngnghệ sẽ gia tăng hiệu suất của pin quang điện và làm giảm chi phí chế tạo và vậnhành. Hiện nay, điện năng tạo ra từ các nhà máy năng lượng mặt trời có giá thànhgấp từ 3 đến 5 lần so với điện năng tạo ra bởi các nhà máy chạy bằng nhiên liệuhóa thạch. Pin mặt trời đã được sử dụng rộng rãi trong các công việc thám hiểm khônggian và thường được lắp đặt trên các con tàu vũ trụ và vệ tinh nhân tạo để cungcấp điện năng cho nhiều hoạt động khác nhau. Đa số các vệ tinh truyền thông đềucó trang bị pin mặt trời để cung cấp một phần nhu cầu về điện cho các vệ tinh này. Trở lại với trái đất, một trong những ứng dụng phổ biến nhất của pin mặttrời là cấp điện cho các loại máy tính bỏ túi. Nhưng các pin mặt trời cỡ lớn cũngdùng cho các ứng dụng thương mại. Hoa Kỳ, Nhật Bản, Thái Lan, Ấn Độ và nhiềunước khác đang tìm kiếm những phương cách để khai thác các tia mặt trời nhằmsản xuất điện. Ở Israel có những kế hoạch xây dựng nhà áy điện mặt trời lớn nhất thế giới.Theo kế hoạch, khi được hoàn thành vào năm 2012, nhà máy này sẽ cung cấp 5%điện năng toàn quốc gia. Theo Viện Worldwatch ở Washington D.C., sản lượng hàng năm của các nhàmáy năng lượng mặt trời tăng 150% giữa các năm 2000 và 2003. Chỉ riêng năm2002, công nghiệp điện mặt trời ở Hoa Kỳ tăng trưởng rất đáng kể, khoảng 60%,và thu được 500 triệu đô la. Các electron lang thang. Đễ hiểu rõ hoạt động của các pin quang điện, cầnphải xem xét chúng ở mức độ nguyên tử. Mỗi pin được cấu tạo bằng một lớp mỏngsilic tinh khiết và sẽ có các tạp chất nào đó được cho thêm vào. Mỗi nguyên tử silic có các electron - là các hạt mang điện âm - quay quanhhạt nhân, hay là tâm nguy ên tử, trong nhiều lớp vỏ đồng tâm, còn gọi là các lớpkhông gian. Các nguyên tử kết hợp với một nguyên tử khác thông qua các hoạtđộng của các electron tạo nên lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử. Ví dụ, nguyên tửsilic có bốn electron ở lớp vỏ ngoài cùng. Trong tinh thể silic, mỗi nguyên tửthường kết hợp với bốn nguyên tử lân cận thông qua bốn electron ngoài cùng. Nếu một electron bị bứt ra khỏi nguyên tử silic do tác động của ngoại lựcnhư ánh sáng, nhiệt hoặc điện năng, electron này sẽ chuyển động tự do trong tinhthể đồng thời để lại một lỗ trống trong mạng tinh thể. Lỗ trống này cư xử như mộtđiện tích dương. Mỗi lần có một electron của một nguyên tử lân cận di chuyển vào lỗ trống thìđồng thời electron này cũng tạo ra một lỗ trống mới đằng sau nó. Cứ như thế, cáclỗ trống có thể di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác trong tinh thể. Do vậy, khi cónguồn năng lượng bên ngoài tác dụng vào tinh thể thì sẽ có một số điện tích âm vàđiện tích dương được tạo ra và chuyển động tự do trong tinh thể. Chúng chuyểnđộng ngẫu nhiên và cân bằng với nhau. Giả sử có một lượng rất nhỏ arsen được cho vào tinh thể silic. Nguyên tửarsen có năm electron ở lớp vỏ ngoài cùng. Nếu nguyên tử arsen kết hợp vối bốnnguyên tử silic lân cận (giống như nguyên tử silic kết hợp với các nguyên tử lâncận nó) thì sẽ còn lại một electron của nguyên tử arsen trở thành electron tự do. Như vậy, việc đưa một lượng rất nhỏ arsen vào trong tinh thể silic sẽ làmtăng số electron chuyển động tự do. Xét toàn bộ thì tinh thể vẫn còn trung hòa điệnvì các electron tự do tăng thêm sẽ cân bằng với các ptoton mang điện tích dươngtrong hạt nhân của nguyên tử arsen. Kết quả sẽ khác đi nếu cho boron vào trong tinh thể silic. Mỗi nguyên tửboron chỉ có ba electron ở lớp vỏ ngoài cùng. Nếu nguyên tử boron kết hợp vớibốn nguyên tử silic lân cận, do thiếu một electron nên sẽ có một lỗ trống dươngtrong mạng tinh thể quanh nguyên tử boron. Ngay cả chỉ một lượng rất nhỏ boronthì vẫn có một số rất đáng kể các nguyên tử tạo nên một số các lỗ trống mang điệntích dương dôi ra trong mạng tinh thể. Và lần nữa, tính trung hòa của toàn mạngtinh thể vẫn không thay đổi. Tạo điện trường. Bây giờ, giả sử rằng arsen được cho vào một nửa tinh thể silic và boron đượccho vào nửa kia. Mỗi một nửa tinh thể silic vẫn còn trung hòa điện, tuy nhiên, mậtđộ điện tử tự do trong nửa tinh thể có arsen lớn hơn trong nửa tinh thể có boron.Cũng tương tự như thế, ở phía tinh thể có boron có nhiều lỗ trống hơn ở phía tinhthể có arsen. Vì cả hai loại điện tích chuyển động hỗn độn nên chúng có khuynhhướng khuếch tán khắp toàn bộ tinh thể, đi qua đường biên phân cách giữa hainửa tinh thể. Phía nửa tinh thể silic có boron sẽ tích điện âm vì các electron thừa dichuyển về phía này. Ngược lại, về phía có arsen trở thành tích điện dương vì nhậncác lỗ trống. Các điện tích này sẽ tập hợp các electron và lỗ trống từ phía bên nàysang phía bên kia của tinh thể. Cuối cùng, các điện tích trở nên đủ mạnh để ngănkhông ...