4 Vật liệu pin mặt trời

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 6/77



Hình 2-4: Chất bán dẫn Silic thể rắn [4]



 Bán dẫn loại N (N-type)

Khi pha Silicon cùng với tạp chất có hóa trị năm ví dụ như là Phospho dẫn đến

hợp chất có dư một electron tự do của Phospho. Chất bán dẫn này thừa điện tử

và được gọi là Negative.



Hình 2-5: Biểu đồ năng lượng của bán dẫn loại N [7]

MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 7/77



Vì là loại chất bán dẫn loại N nên mức năng lượng Fermi nằm ở phía gần đáy của

miền dẫn. Từ mức năng lượng Fermi chúng ta có thể biết được vùng nào thuộc bán

dẫn N. Điều này làm cho biết được bán dẫn loại N là một loại chất bán dẫn phải

chứa rất nhiều điện tích.[7]

 Bán dẫn loại P (P-type)

Ngược lại với chất bán dẫn loại N là chất bán dẫn loại P, cấu tạo cũng là pha tạp

nhưng với chất thiếu electron từ đó những hạt nhân mới sẽ lấy đi điện tích từ chất

bán dẫn. Từ khi sự nhường điện tích của chất bán dẫn cho chất bị thiếu điện tích, thì

những phân tử chất bán dẫn sẽ tạo ra những lỗ trống. Chất bán dẫn thiếu điện tử như

vậy được mang điện tích dương là P.

Khi mức năng lượng Fermi nằm ở gần đỉnh của miền hóa trị thì chất bán dẫn chứa

rất nhiều lỗ trống. Có thể từ mức năng lượng Fermi chúng ta có thể biết được vùng

trong pin năng lượng mặt trời là vùng của bán dẫn loại P. [7]



Hình 2-6: Biểu đồ năng lượng của bán dẫn loại P [7]



 Lớp tiếp xúc P-N

Lớp tiếp xúc được biết đến là lớp là sự tiếp xúc giữa bán dẫn loại P và bán dẫn loại

N. Lúc đầu thì electron từ chất bán dẫn N sang chất bán dẫn P để phản ứng với lỗ

trống để trung hòa điện.



MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 8/77



Hình 2-7: Hình ảnh minh họa lớp tiếp xúc (Depletopn layer) [7]



Nhưng khi có sự trung hòa về điện giữa hai lớp bán dẫn loại P và lớp bán dẫn loại N

thì điện tích nằm gần nhau tại mặt tiếp xúc giữa lớp P và lớp N sẽ tạo ra một trường

điện từ. Vì khu vực này bề mặt tiếp xúc lớp P và lớp N đã trung hòa về điện, chính

vì điều này mà khi các electron cố gắng đi qua đều bị trường điện từ tại đây ngăn

cản.

Nhưng với mức năng lượng khác nhau thì các điện tích từ bán dẫn N sang bán dẫn P

thì sẽ sinh ra dòng điện nội trong khi khơng có nguồn năng lượng từ ánh sáng chiếu

vào pin mặt trời.



Hình 2-8: Mức năng lượng của lớp tiếp xúc P và N [7]



Từ hình ảnh trên ta có thể thấy được nằm ở phía bên trái bức hình là bán dẫn P và

nằm bên phải bức hình là bán dẫn N. Khi mà mức năng lượng Fermi được nối thẳng

từ bán dẫn loại N sang bán dẫn loại N thì đã tạo ra hai vùng đáy của miền dẫn và



MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 9/77



đỉnh của miền hóa trị khác nhau. Từ điều này giải thích cho điện áp tự sinh ra do sự

chênh lệch điện tích giữa lớp tiếp xúc của hai loại bán dẫn. [7]

1.1.4 Độ lệch giữa vùng miền dẫn và miền hóa trị



Hình 2-9: Hình ảnh miền năng lượng khơng bị lệch (direct bandgap) [8]



Sự đối xứng với nhau của miền dẫn và miền hóa trị là một trong những yếu tố cực

kì quan trọng trong việc chuyển hóa từ năng lượng điện năng qua quang năng và

ngược lại.

Từ hình ảnh trên ta có thể thấy được hai miền khơng có sự chênh lệch. Từ đều này

làm cho việc nguồn năng lượng cung cấp bởi ánh sáng được một cách hiệu quả,

không cần nhiều năng lượng từ ánh sáng để tạo ra điện tích và lỗ trống.



MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 10/77



Hình 2-10: Hình ảnh cho thấy hai miền năng lượng bị lệch (indirect bandgap) [8]



Cũng từ hình trên ta có thể thấy được sự lệch đỉnh của hai miền năng lượng. Từ

điều này thì nếu muốn chuyển đổi năng lượng từ quang năng thành các điện tích và

lỗ trống thì cần phải có nhiều năng lượng hơn. Điều này cho thấy sự không hiệu quả

của việc sử dụng một cách hiệu quả nguồn năng lượng từ ánh sáng nhằm để cho sự

chuyển hóa điện tích.

1.1.5 Xác định số lượng điện tích và lỗ trống

Trạng thái mức năng lượng còn được biết như là tùy vào mức năng lượng sẽ có số

lượng điện tích nằm ở vùng năng lượng đó.



MƠ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 11/77



Hình 2-11: Mức năng lượng của miền dẫn [7]



Trạng thái mức năng lượng này được biểu diễn qua công thức như sau:

(1.1)

(1.2)

: là mức trạng thái năng lượng của miền dẫn, miền hóa trị.

là khối lượng hiệu quả của điện tích, lỗ trống.

: năng lượng.

: hằng số Planck (h = 6.62607015 x 10-34 J.s).

: trạng thái của đáy của miền dẫn, đáy của miền hóa trị

Cơng thức này cho ta biết được có khoảng bao nhiêu điện tích để đáp ứng cho mức

năng lượng như thế.

Từ điều đó có thể kết hợp với biểu đồ biểu diễn với mức năng lượng đó sẽ tạo thành

được bao nhiêu điện tích cũng như là bao nhiêu điện tích chứa được ở từng mức

năng lượng. [7]



MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 12/77



(1.3)

: là trạng thái mức năng lượng tạo ra được bao nhiêu điện tích.

: là năng lượng.

: hằng số Boltzman (k = 8.617 x 10-5 eV/K)

: nhiệt độ Kelvin (K)

Mặt đẳng năng lượng đặc biệt xét tại 0oK ứng với công thức , dưới bề mặt này tất cả

các mức năng lượng thuộc các vùng năng lượng khác điều được lấp đầy bởi điện

tích còn phía kia hồn tồn là lỗ trống như hình 2-10 và hình 2-11. Mức năng lượng

Fermi nằm ở gần mức hóa trị và mức dẫn thì đã nói ở phần bán dẫn N và bán dẫn P

nhưng với mức năng lượng Fermi nằm ở giữa như hình 2-13 thì được gọi là

Intrinsic Fermi được coi là mức để biết được bán dẫn N hay bán dẫn P. [7]



Hình 2-12: Mức độ điện tích khi nhiệt độ bằng 0oK [7]



MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 13/77



Hình 2-13: Mức năng lượng điện tích khi nhiệt độ lớn hơn 00K [7]



Từ những hình ảnh biểu đồ từ hình 2-9, hình 2-10, hình 2-11 từ đó chúng ta nhận

biết số lượng điện tích được tạo ra bởi năng lượng mặt trời và số lượng điện tích

chứa được như hình 2-12, hình 2-13, hình 2-14



Hình 2-14: Số lượng điện tích khi mức Fermi nằm gần miền dẫn [7]



Hình 2-15: Số lượng điện tích khi mức Fermi nằm gần miền giữa [7]



MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 14/77



Hình 2-16: Số lượng điện tích khi mức Fermi nằm gần miền hóa trị [7]



1.1.6 Nguyên lý tạo điện tích và lỗ trống

Khi mà mức nhiệt độ bằng khơng (T = 0 oK), thì các điện tích gần như chỉ dao động

xung quanh các hạt nhân mà khơng có sự dao động q nhiều. Nhưng khi mà nhiệt

độ lớn hơn khơng (T 00K) thì lúc đó các điện tích di chuyển và giao động một cách

nhanh hơn. Từ đó các điện tích nằm ở xa hạt nhân được bức ra vì điện tích nằm

càng xa hạt điện thì lực liên kết giữa hạt nhân và điện tích ngày càng giảm tạo điện

tích tự do và các lỗ trống như hình 2-15.



Hình 2-17: Sự hình thành điện tích tự do trong chất bán dẫn [9]



MƠ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 15/77



 Điện tích tự do sinh ra bởi nhiệt năng

Như ta được biết là khi mà nhiệt độ càng tăng lên thì điện tích được sinh ra từ chất

bán dẫn ngày càng nhiều. Từ đó trong việc tạo ra điện năng từ quang năng thì có

loại Direct thermal.



Hình 2-18: Direct thermal [7]



Direct thermal là một một trong sự tạo thành điện tích bằng nhiệt từ phía bên ngồi,

thì điện tích là điện tích đi từ từ miền hóa trị đi một cách tự tiếp đến miền dẫn. [7]

 Điện tích sinh ra từ quang năng

Những tia ánh sáng cung cấp cho các tia bức xạ cùng với tần số giao động, nguồn

năng lượng photon (hf) sẽ được chất bán dẫn hấp thụ từ đó tạo các cặp điện tích và

lỗ trống và công thức biểu diễn cho sự hấp thụ năng lượng photon từ đó giảm năng

lượng tia photon khi đi qua chất bán dẫn, vậy sự chuyển hóa năng lượng từ photon

thành điện năng như hình 2-17. [7]



Hình 2-19: Sự chuyển hóa từ năng lượng ánh sáng thành điện năng [7]

MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 16/77



Hình 2-20: Hình ảnh trực quan của hấp thụ ánh sáng [7]



Từ hình 2-18 thì tia năng lượng ánh sáng được hấp thụ qua chất bán dẫn được biểu

diễn theo công thức như sau:

(1.4)

: cường độ ánh sáng tại một tọa độ.

: hệ số hấp thụ ánh sáng.

: cường độ ánh sáng.

Từ cơng thức trên ta giải tích phân ra được công thức như sau:

(1.5)

: tổng cường độ ánh sáng hấp thụ tại điểm tọa độ.

: cường độ ánh sáng.

: điểm tọa độ (lớn hơn 0).

Như công thức cường độ ánh sáng hấp thụ trong chất bán dẫn từ đó có thể tìm ra

được cơng thức cặp điện tích và lỗ trống được tạo ra:

(1.6)

: số lượng cặp điện tích và lỗ trống từ photon tạo ra (số lượng/cm3-sec).

: số lượng cặp điện tích và lỗ trống từ photon tạo ra tại .

: điểm tọa độ (lớn hơn 0).

: hệ số hấp thụ ánh sáng.

Bước sóng của ánh sáng.



MƠ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS