|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese|
ENCYCLOPEDIA VỀ ĐIỆN TỬ TRUYỀN THANH VÀ KỸ THUẬT ĐIỆN Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời. Bách khoa toàn thư về điện tử vô tuyến và kỹ thuật điện
Bách khoa toàn thư về điện tử vô tuyến và kỹ thuật điện / Nguồn năng lượng thay thế Mặc dù nhiều người trong chúng ta không biết nhưng phương pháp tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời đã được biết đến hơn 100 năm nay. Hiện tượng quang điện được Edmond Becquerel quan sát lần đầu tiên vào năm 1839. Trong một trong nhiều thí nghiệm với điện, ông đặt hai tấm kim loại vào dung dịch dẫn điện và chiếu sáng hệ thống lắp đặt bằng ánh sáng mặt trời. Trước sự ngạc nhiên tột độ của mình, ông phát hiện ra rằng điều này tạo ra sức điện động (EMF). Khám phá tình cờ này không được chú ý cho đến năm 1873, khi Willoughby Smith phát hiện ra hiệu ứng tương tự khi chiếu ánh sáng vào một tấm selen. Và mặc dù những thí nghiệm đầu tiên của ông không hoàn hảo nhưng chúng đã đánh dấu sự khởi đầu của lịch sử pin mặt trời bán dẫn. Để tìm kiếm những nguồn năng lượng mới, Bell Labs đã phát minh ra pin mặt trời silicon, loại pin này trở thành tiền thân của bộ chuyển đổi quang điện hiện đại. Chỉ vào đầu những năm 50. Pin mặt trời đã đạt đến mức độ hoàn thiện tương đối cao. Cơ sở lý thuyết bán dẫn Vật liệu bán dẫn chính trong thiết bị điện tử hiện đại là silicon. Hầu hết pin mặt trời hiện đại cũng được làm từ silicon. Chất bán dẫn là chất không dẫn điện tốt cũng không cách điện tốt. Ví dụ, đồng là một chất dẫn điện tuyệt vời, phạm vi ứng dụng của nó rất rộng. Bất cứ nơi nào cần truyền năng lượng điện từ nơi này sang nơi khác thì đồng là trợ thủ đắc lực không thể thiếu. Điều tương tự cũng có thể nói về nhôm. Mặt khác, thủy tinh có độ dẫn điện không đáng kể nhưng là chất điện môi tốt. Nếu bạn cần chặn đường đi của dòng điện, chất cách điện bằng thủy tinh sẽ giải quyết thành công vấn đề này. Nhân tiện, các vật cách điện bằng cực trong những chiếc điện thoại đầu tiên được làm bằng thủy tinh.
Độ dẫn điện của chất bán dẫn nằm giữa hai trường hợp giới hạn này. Trong một số ứng dụng, chất bán dẫn có thể đóng vai trò là chất dẫn điện, trong những ứng dụng khác - đóng vai trò là chất cách điện. Tuy nhiên, silicon nguyên chất vẫn gần với chất cách điện hơn và dẫn điện rất kém. Lý do cho điều này được giải thích là do đặc thù của cấu trúc tinh thể của nó. Các nguyên tử silicon được kết nối với nhau bằng cách sử dụng cái gọi là electron hóa trị. Tốt nhất hãy coi những kết nối này là “bàn tay”. Mỗi nguyên tử silicon có bốn "cánh tay". Các nguyên tử silicon rất “hòa đồng”, chúng không thích sự cô đơn. Vì vậy, họ cố gắng nắm tay các nguyên tử xung quanh. Vì mỗi nguyên tử có bốn “bàn tay” để nó nắm lấy “bàn tay” của những nguyên tử lân cận nên chúng cùng nhau tạo thành mạng lưới như minh họa trong Hình 1. XNUMX. Kết quả là cả bốn “bàn tay” của nguyên tử đều bị chiếm giữ. Do đó, trong cấu trúc như vậy không có electron tự do ("bàn tay") và nếu không có electron tự do thì khó có thể tạo ra dòng điện. Đối với nhu cầu về điện tử, tình trạng này là không thể chấp nhận được. Để dòng điện chạy qua, tinh thể phải có các electron tự do. Điều này đạt được bằng cách đưa tạp chất vào nguyên liệu ban đầu. Quá trình này được gọi là hợp kim. Doping bán dẫn Giả sử chúng ta lấy và thay thế trong cấu trúc tinh thể của mình một nguyên tử silicon bằng một nguyên tử có hóa trị 5 (nói cách khác, có 5 "cánh". Ví dụ, một nguyên tử như vậy là nguyên tử boron. Tự tìm thấy mình trong số "hàng xóm mới" của chúng ta và tiếp tục với chúng bằng "bàn tay", nguyên tử này sẽ sớm phát hiện ra rằng một "bàn tay" là tự do (Tác giả đã nhầm lẫn - các nguyên tử phốt pho, có hóa trị bằng 5, được sử dụng làm chất cho (nguồn electron tự do). ), và với tư cách là chất nhận, cho phép đưa điện tích dương (lỗ trống) vào tinh thể silicon, các nguyên tử boron được sử dụng, được đặc trưng bởi hóa trị ba. - Ed.)
“Bàn tay” này, không kết nối với ai, chẳng qua là một electron tự do. Vì nguyên tử boron ít nhiều hài lòng khi bốn trong số năm "cánh tay" của nó - các electron - bị chiếm giữ, nên nó không đặc biệt lo lắng về số phận của cánh tay thứ năm. Khi có sự xáo trộn nhỏ nhất, electron sẽ “vỡ ra”. Đây là bản chất của doping. Chúng ta càng đưa nhiều tạp chất vào tinh thể thì nó sẽ càng có nhiều electron tự do và silicon sẽ dẫn dòng điện tốt hơn. Khi sử dụng doping, quá trình ngược lại cũng có thể xảy ra. Nếu nguyên tử silicon được thay thế bằng nguyên tử hóa trị ba, chẳng hạn như phốt pho, thì cái gọi là lỗ trống sẽ xuất hiện trong cấu trúc của chúng ta. Kết quả là, tinh thể thiếu electron và nó sẽ dễ dàng chấp nhận chúng vào mạng tinh thể. Do thực tế là các nguyên tử trong cấu trúc như vậy cố gắng bắt các electron nên các lỗ trống tạo thành sẽ di chuyển xung quanh cấu trúc thiếu electron. Trong thực tế, các electron di chuyển từ lỗ này sang lỗ khác và do đó dẫn dòng điện. Chế tạo pin mặt trời Bây giờ bạn có thể nghĩ rằng nếu bạn lấy một tinh thể silicon pha tạp thiếu electron và một tinh thể silicon pha tạp thừa electron và đặt chúng lại với nhau, điều gì đó sẽ xảy ra.
Với sự tiếp xúc cơ học chặt chẽ của hai tinh thể, các nguyên tử ở vùng gần bề mặt đến gần nhau đến mức các nguyên tử phốt pho dễ dàng nhường đi các electron dư thừa của chúng và các nguyên tử boron dễ dàng chấp nhận chúng. Kết quả là sự cân bằng điện của tinh thể được phục hồi. Nhưng hãy nhớ rằng các tinh thể có cấu trúc rất cứng, do đó sự trao đổi sẽ chỉ xảy ra giữa các nguyên tử có tiếp xúc gần nhất với nhau. Độ dày của vùng tiếp xúc này không vượt quá kích thước của một số nguyên tử và thể tích của chất bán dẫn không thay đổi. Tất nhiên, để có được hiệu ứng này đòi hỏi nhiều việc hơn là chỉ ghép hai miếng silicon lại với nhau. Thông thường, silicon được pha tạp bằng quá trình khuếch tán ở nhiệt độ cao. Kết quả là, tại ranh giới giữa các vùng sâu trong chất bán dẫn được pha tạp các tạp chất khác nhau, một vùng giao diện siêu mỏng gọi là tiếp giáp pn được hình thành. Chính trong vùng này xảy ra quá trình chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Khi một hạt ánh sáng, gọi là photon, chạm vào điểm nối pn với đủ năng lượng, nó đánh bật một electron, khiến nó tự do chuyển động. Năng lượng của photon được truyền cho electron. Trong trường hợp này, một lỗ trống được hình thành trong mạng tinh thể. Cần lưu ý rằng vùng chuyển tiếp có xu hướng duy trì trạng thái cân bằng. Quá trình này, được gọi là quang hóa, xảy ra không chỉ ở vùng tiếp giáp pn, mà còn ở bất kỳ phần nào khác của tinh thể mà ánh sáng mặt trời xuyên qua, có năng lượng đủ cao cần thiết để tạo ra các hạt mang điện tự do - electron và lỗ trống. Do thiếu lỗ trống trong vật liệu loại n và thiếu electron trong vật liệu loại p, nên lỗ trống và electron tách ra và di chuyển theo các hướng khác nhau. Nhưng bây giờ sự cân bằng đã bị phá vỡ. Một electron đã nhận được năng lượng của photon sẽ cố gắng kết nối lại với cực âm (lỗ trống) của nó và sẵn sàng tiêu tốn năng lượng của mình cho việc này. Thật không may, tiếp giáp pn đại diện cho một rào cản tiềm năng mà electron không thể vượt qua. Tuy nhiên, nếu chúng ta kết nối các vùng có trục dẫn loại p và n với nhau bằng một dây dẫn thì chướng ngại vật này sẽ được khắc phục thành công và electron sẽ “đi” vào lỗ của nó thông qua “cửa sau”. Trong trường hợp này, electron tiêu tốn năng lượng của nó trên đường đi mà chúng ta sử dụng. Đặc điểm pin mặt trời Điểm nối pn đại diện cho một rào cản ấn tượng đối với chuyển động của các electron. Nhưng không thể gọi là không thể vượt qua được. Năng lượng mà một electron nhận được từ một photon thường không đủ để nó vượt qua rào cản này và kết nối với lỗ trống, nhưng điều này không phải lúc nào cũng đúng.
Chiều cao rào cản tiềm năng của điểm nối pn là khoảng 600 mV (0,6 V). Các electron có năng lượng trên 600 mV có thể “nâng” lên bức tường này và bị hấp thụ. Do đó, điện áp tối đa mà pin mặt trời có thể phát triển là 600 mV. Tuy nhiên, giá trị thực tế còn phụ thuộc vào loại vật liệu bán dẫn và thiết kế pin mặt trời.
Việc kết nối tải với pin mặt trời sẽ làm giảm năng lượng của một số electron, bao gồm cả những electron có năng lượng cao hơn. Kết quả là tổng điện áp của pin mặt trời và số lượng electron có khả năng vượt qua hàng rào tiếp giáp pn bị giảm. Khi điện trở tải tăng lên, ngày càng nhiều electron sẽ được “bơm ra” qua nó và điện áp sẽ càng giảm nhiều hơn. Tuy nhiên, đến một lúc nào đó, một điều kỳ lạ xảy ra. Ở 450 mV (0,45 V), dòng điện (dòng điện tử) ngừng tăng mặc dù điện áp tiếp tục giảm. Một “cao nguyên” hiện tại đã đạt đến. Hiện tượng này là do số lượng photon tới trên điểm nối pn là hữu hạn. Người ta biết rằng càng có nhiều photon chạm tới điểm nối pn thì càng có nhiều electron được giải phóng. Nhiều photon hơn - nhiều dòng điện hơn. Tuy nhiên, sẽ đến lúc mọi photon đi vào tiếp giáp pn đều được sử dụng và số lượng electron tự do được sử dụng, và do đó dòng điện không còn tăng nữa. Điều này tương ứng với sự xuất hiện của một “bình nguyên” trong đặc tính của pin mặt trời. Tất nhiên, số lượng electron tự do cũng phụ thuộc vào diện tích bề mặt và cường độ ánh sáng. Rõ ràng, khi diện tích của phần tử tăng lên thì nhiều photon bị bắt giữ hơn và dòng điện tăng lên. Tương tự, khi cường độ ánh sáng tăng lên, nồng độ photon trong một khu vực nhất định cũng tăng lên, điều này cũng làm tăng dòng điện. Hiệu suất pin mặt trời Thông thường, cường độ trung bình của ánh sáng mặt trời chiếu tới bề mặt trái đất được lấy là 100 mW/cm2. Nói cách khác, một pin mặt trời có kích thước 10x10 cm2 về mặt lý thuyết sẽ tạo ra công suất 10 W. Thật không may, không có pin mặt trời nào có thể hoặc thậm chí sẽ tạo ra năng lượng như vậy: sẽ luôn có tổn thất. Hiệu suất (hiệu suất) cao nhất đạt được cho đến nay (và thậm chí cả với tế bào quang điện xếp tầng trong phòng thí nghiệm) là khoảng 30%. Hiệu suất của pin mặt trời silicon thông thường dao động từ 10-13%. Một phần tử có diện tích 100 cm2 có thể tạo ra công suất khoảng 1 W. Tất nhiên, hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là sự thay đổi nhiệt độ môi trường. Khi nhiệt độ tăng lên, mạng tinh thể trở nên bị kích thích và các nguyên tử của nó dao động mạnh hơn. Điều này lại dẫn đến sự gia tăng mức năng lượng của các electron trong cấu trúc. Theo thời gian, khi mức năng lượng của các electron tăng lên đến mức hầu hết chúng có thể vượt qua hàng rào thế năng của tiếp giáp pn, sự tái hợp trong chất bán dẫn tăng mạnh. Điều này dẫn đến có ít điện tử đến được bộ thu lưới hơn và dòng điện tới tải bị giảm. Mặt khác, nhiệt độ thấp thực sự làm tăng hiệu ứng quang điện. Nguyên nhân chính làm giảm hiệu suất của pin mặt trời khi nhiệt độ ngày càng tăng là do hàng rào điện thế của điểm nối pn giảm, dẫn đến giảm điện áp do phần tử tạo ra. Tác giả: Byers T.
Nồng độ cồn của bia ấm
07.05.2024 Yếu tố nguy cơ chính gây nghiện cờ bạc
07.05.2024 Tiếng ồn giao thông làm chậm sự phát triển của gà con
06.05.2024
▪ Đất sao Hỏa - bảo vệ bức xạ ▪ Máy phân tích khí thu nhỏ Kingmax AirQ Check GS-01 cho điện thoại thông minh ▪ Thiết bị vi điện tử không có chất bán dẫn ▪ Card đồ họa GeForce GTX 3 JetStream 760D của Palit ▪ Tòa nhà in XNUMXD lớn nhất thế giới
▪ phần trang web Điều khiển âm lượng và âm lượng. Lựa chọn bài viết ▪ Bài viết của Berul là trực tiếp. Truyền thuyết, canh tác, phương pháp áp dụng ▪ bài Ai nhanh hơn? Bách khoa toàn thư về điện tử vô tuyến và kỹ thuật điện
Trang chủ | Thư viện | bài viết | Sơ đồ trang web | Đánh giá trang web
www.diagram.com.ua |
Xem các bài viết khác razdela 
Tin tức khoa học công nghệ, điện tử mới nhất:
Tất cả các ngôn ngữ của trang này