Bài giảng "Năng lượng tái tạo - Chương 2 (Bài 3): Năng lượng mặt trời" cung cấp cho người học các kiến thức: Tế bào quang điện, đặc tính I-V của pin quang điện, ảnh hưởng của hiện tượng bóng che. Mời các bạn cùng tham khảo.
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK1
Bài giảng 3
1
http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn
2.2. Tế bào quang điện
2.3. Đặc tính I-V của pin quang điện
2.4. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng che
Bài giảng 3
2
Bài giảng 3
3
Bài giảng 3
4
Bài giảng 3
5
Bài giảng 3
6
Nguyên tử silic có 4 điện tử hóa trị, với ký hiệu thường dùng
Bài giảng 3
7
như hình bên phải.
Các nguyên tử silic tạo liên kết hóa trị với 4 nguyên tử lân
cận theo cấu trúc tứ diện, tạo thành mạng tinh thể. Cấu trúc
Bài giảng 3
8
giản lược có dạng phẳng.
Khoảng cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị xác định loại
vật liệu: vật dẫn, bán dẫn, hay cách điện. Thế Fermi nằm
Bài giảng 3
9
giữa vùng dẫn và vùng hóa trị trong bán dẫn và cách điện.
Khi các quang tử có năng lượng lớn hơn 1,12 eV bị silic
hấp thụ, các điện tử có thể đủ năng lượng để chuyển lên
vùng dẫn, tạo ra điện thế. Khi điện tử trở về vùng hóa trị và
tái hợp với ion dương, sẽ tạo ra một quang tử (nguyên tắc
Bài giảng 3
10
chế tạo diode phát quang – LED).
Khi chiếu sáng mạng tinh thể silic, sinh ra các ion dương
trong mạng tinh thể, và tạo ra điện thế.
Các ion có thể di chuyển nếu đường dẫn được hình thành
(qua mạch tải).
Năng lượng của quang tử E liên hệ với vận tốc c và bước
sóng (cid:0) :
Bài giảng 3
11
h là hằng số Planck (= 6,626.10(cid:0) 34 J.s)
Tìm bước sóng cực đại mà quang tử phải có để tạo được
hiệu ứng quang điện trên mạng tinh thể silic.
Giải: Để năng lượng tạo ra lớn hơn năng lượng vùng cấm,
bước sóng phải nhỏ hơn bước sóng cực đại, cho bởi:
34
8
,6
6
(cid:0)
11,1
10
m
10 19
hc E
626 12,1
10 6,1
3 10
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
Như vậy, ở các bước sóng dài hơn 1,11 (cid:0) m, ánh sáng sẽ
không tạo ra được hiệu ứng quang điện. Ngoài ra, mức năng
Bài giảng 3
12
lượng thừa của các bước sóng ngắn hơn cũng sẽ bị lãng phí.
Bài giảng 3
13
Các vật liệu khác nhau có khả năng chuyển hóa bằng hiệu
ứng quang điện khác nhau. Bảng 8.2 trình bày bước sóng
giới hạn của bốn loại vật liệu phổ biến nhất trong chế tạo pin
Bài giảng 3
14
quang điện.
Bài giảng 3
15
Với silic, hiệu suất cực đại là < 50%.
Với các vật liệu khác, nếu band-gap nhỏ, điện thế tạo
ra lớn nhưng dòng điện nhỏ. Còn nếu band-gap lớn,
điện thế tạo ra nhỏ nhưng dòng điện lớn.
Vì công suất là tích của điện áp và dòng điện, tồn tại
một khoảng band-gap tại đó hiệu suất đạt cực đại.
Hiệu suất thực tế nhỏ hơn giá trị lý thuyết ở đây, nếu
xét đến những yếu tố khác.
Bài giảng 3
16
Bài giảng 3
17
Mối nối p-n được tạo ra để kéo điện tử và lỗ trống về
hai phía, giảm xác suất bị tái hợp. Điều này giúp cải
thiện hiệu suất quang điện.
Bài giảng 3
18
Vùng n được tạo ra bằng một nguyên tử hóa trị 3 liên
kết với mạng tinh thể silic.
Bài giảng 3
19
Hai loại vật liệu đặt cạnh nhau, tạo ra một vùng nghèo
(hạt dẫn), và duy trì điện trường để tránh hiện tượng tái
hợp làm giảm hiệu suất của hiệu ứng quang điện.
Bài giảng 3
20
Phương trình Shockley:
kT
/
(cid:0) (cid:0) (cid:0)
d
qV deI 0
Bài giảng 3
21
Xét diode p-n ở 25 (cid:0) C, có dòng điện bão hòa ngược là
10-9 A. Tìm điện áp rơi khi diode tải dòng: 0, 1, và 10 A.
Giải:
a. Id = 0 suy ra Vd = 0
d
ln
1
ln
1
V 532,0
V d
9
b. Sắp xếp lại để tính Vd theo Id: I I
1 9,38
1 9,38
1 10
0
c. Id = 10 A, Vd = 0,592 V
Bài giảng 3
22
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
Bài giảng 3
23
Bài giảng 3
24
Điện áp hở mạch (VOC):
Là điện áp rơi trên diode khi toàn
bộ dòng điện do PV tạo ra chạy qua
diode.
Dòng điện ngắn mạch (ISC):
Là toàn bộ dòng điện do PV tạo ra,
vì điện áp rơi trên diode bằng 0.
Bài giảng 3
25
qV
kT
/
I
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
SC
ISC V (cid:0) (cid:0)
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
OC
(cid:0) (cid:0)
(cid:0) (cid:0)
Bài giảng 3
26
Khảo sát đặc tính I-V của tế bào quang điện 100 cm2, có I0 = 10-12 A/cm2. Ở bức xạ chuẩn, dòng điện ngắn mạch là 40 mA/cm2 ở 25 (cid:0) C. Tìm điện áp hở mạch khi đó và khi bức xạ bằng 50% giá trị chuẩn.
Giải: Dòng điện bão hòa ngược là I0 = 10-10 A, dòng điện ngắn
(cid:0) (cid:0)
OC
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) V mạch ISC = 4 A. Áp dụng công thức tính VOC tại 25 (cid:0) C: ln V 627 0257 ,0 ,0 1 (cid:0) (cid:0)
0
(cid:0) (cid:0) I SC I
V 61,0(cid:0)
OCV
Bài giảng 3
27
Tính lại với dòng điện ngắn mạch bằng một nửa (= 2 A):
Bài giảng 3
28
Nếu xét đến điện trở nối tiếp do điện trở của dây nối, và
điện trở song song do dòng điện rò trong pin quang
điện, mạch tương đương chính xác như dưới đây:
I Rs
ISC VOC
Bài giảng 3
29
V Rsh
Các tế bào quang điện có thể được ghép với nhau để thành
một tấm pin quang điện, các tấm cũng có thể được ghép với
Bài giảng 3
30
nhau thành một dãy pin quang điện.
Vì điện áp của một tế bào tương đối nhỏ, người ta thường
ghép nối tiếp nhiều tế bào với nhau để tạo điện áp phù hợp
Bài giảng 3
31
cho ứng dụng thực tế.
36 tế bào được ghép nối tiếp thành tấm pin. Ở điều kiện
chuẩn, mỗi tế bào có ISC = 3,4 A và ở 25 (cid:0) C I0 = 6.10-10 A. Rsh = 6,6 (cid:0) . Tính điện áp, dòng điện, và công và Rs = 0,006 (cid:0)
V
9,38
d
suất phát ra khi điện áp mỗi tế bào là 0,5 V
I
I
1
A 16,3
SC
RV / d
sh
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) Giải: Dòng điện phát ra: eI 0
V 43,17
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) Điện áp và công suất phát ra: V Vn d
module V
I
IR s 43,17
16,3
W55
P module
module
Bài giảng 3
32
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
Các tấm pin có thể được
ghép nối tiếp (để tăng điện
áp) hoặc ghép song song
Bài giảng 3
33
(để tăng dòng điện).
Từ quan hệ I-V của pin, có thể xây dựng được đặc tính
I-V của pin, và tồn tại một điểm công suất cực đại.
Bài giảng 3
34
Bài giảng 3
35
Bài giảng 3
36
Xét trường hợp n tế bào nối tiếp, trong đó có 1 tế bào bị
bóng che (che khuất hẳn).
Điện áp của tấm pin sau khi 1 tế bào bị che khuất:
n
1
(cid:0)
V
RIV
SH
sh
R s
n
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
Độ thay đổi điện áp tương ứng:
VVV
RI
SH
sh
V n
Bài giảng 3
37
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
Bài giảng 3
38
(cho mỗi tế Tấm pin trong ví dụ 8.4 có điện trở Rsh = 6,6 (cid:0)
bào). Ở điều kiện chuẩn và dòng điện I = 2,14 A điện áp ra là
V = 19,41 V. Nếu một tế bào bị che khuất và dòng điện xem
như cũ, tính điện áp và công suất, điện áp rơi và công suất
tiêu tán trên tấm pin bị che khuất.
V
V 66,14
shRI
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
Giải: Sụt áp của tấm pin là V n
Điện áp ngõ ra của tấm pin là
V
V
V 75,4(cid:0)
Vnew
Bài giảng 3
39
(cid:0) (cid:0) (cid:0)
Công suất của tấm pin
P = 4,75 (cid:0) 2,14 = 10,1 W
RI
V 14,14
sh
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) Điện áp rơi trên tế bào bị che là V R c s
Công suất tiêu tán trên tế bào đó
W2,30
IVP c c
Bài giảng 3
40
(cid:0) (cid:0)
Nếu ở giữa các cực của tế bào, chúng ta gắn một diode đối
song, thì khi tế bào đó bị che khuất, diode đó sẽ dẫn điện, và
Bài giảng 3
41
nối tắt tế bào bị che đó.
Ngoài ra chúng ta còn dùng diode chặn để ngăn dòng điện
Bài giảng 3
42
chạy vào nhánh song song có tấm pin bị che khuất.
![Đề ôn tập cuối kỳ môn Kỹ thuật nhiệt - Nhiệt động học [mới nhất]](https://cdn.tailieu.vn/images/document/thumbnail/2026/20260310/hoaphuong0906/135x160/60681773197823.jpg)
![Bài giảng thang máy và thang cuốn: Tổng hợp kiến thức [chuẩn nhất]](https://cdn.tailieu.vn/images/document/thumbnail/2026/20260310/hoaphuong0906/135x160/41471773283876.jpg)