Bộ chuyển đổi năng lượng quang điện bán dẫn (tế bào quang điện)

Tế bào quang điện là thiết bị điện tử được thiết kế để chuyển đổi năng lượng của photon thành năng lượng của dòng điện.

Trong lịch sử, nguyên mẫu đầu tiên của tế bào quang điện hiện đại đã được phát minh Alexander G. Stoletov vào cuối thế kỷ 19. Ông tạo ra một thiết bị hoạt động theo nguyên tắc hiệu ứng quang điện bên ngoài. Hệ thống lắp đặt thử nghiệm đầu tiên bao gồm một cặp tấm kim loại phẳng song song, một trong số đó được làm bằng lưới để cho phép ánh sáng đi qua và tấm còn lại là chất rắn.

Một điện áp không đổi được đặt lên các tấm, có thể điều chỉnh trong khoảng từ 0 đến 250 vôn. Cực dương của nguồn điện áp được nối với điện cực lưới và cực âm với vật rắn. Một điện kế nhạy cảm cũng được đưa vào sơ đồ.

Khi một tấm rắn được chiếu sáng bằng ánh sáng từ hồ quang điện, kim điện kế bị lệch, chỉ ra rằng một dòng điện một chiều đang được tạo ra trong mạch mặc dù thực tế là có không khí giữa các đĩa.Trong thí nghiệm, nhà khoa học phát hiện ra rằng cường độ của "dòng quang điện" phụ thuộc vào cả điện áp đặt vào và cường độ ánh sáng.

Để làm phức tạp quá trình lắp đặt, Stoletov đặt các điện cực bên trong một xi lanh để không khí thoát ra ngoài và ánh sáng cực tím được đưa đến điện cực nhạy cảm thông qua một cửa sổ thạch anh. Vì vậy, nó đã được mở Hiệu ứng ảnh.

Ngày nay, dựa trên hiệu ứng này, nó hoạt động bộ chuyển đổi quang điện… Chúng phản ứng với bức xạ điện từ rơi trên bề mặt của phần tử và chuyển đổi nó thành điện áp đầu ra. Một ví dụ về một bộ chuyển đổi như vậy là pin mặt trời… Nguyên tắc tương tự được sử dụng bởi cảm biến quang.

Một tế bào quang điện điển hình bao gồm một lớp vật liệu cảm quang có điện trở cao được kẹp giữa hai điện cực dẫn điện. Là vật liệu quang điện cho pin mặt trời, nó thường được sử dụng chất bán dẫn, khi được chiếu sáng đầy đủ, có khả năng cung cấp 0,5 vôn ở đầu ra.

Các yếu tố như vậy hiệu quả nhất từ ​​​​quan điểm năng lượng được tạo ra, vì chúng cho phép truyền trực tiếp một bước năng lượng photon — trong dòng điện... Trong điều kiện bình thường, hiệu suất 28% là tiêu chuẩn cho các nguyên tố đó.

Ở đây, một hiệu ứng quang điện cực mạnh xảy ra do tính không đồng nhất của cấu trúc bán dẫn của vật liệu làm việc.Tính không đồng nhất này có được bằng cách pha tạp vật liệu bán dẫn được sử dụng với các tạp chất khác nhau, do đó tạo ra tiếp giáp pn hoặc bằng cách kết nối các chất bán dẫn có kích thước khe hở khác nhau (năng lượng tại đó các electron rời khỏi nguyên tử của chúng)—do đó thu được tiếp xúc dị thể hoặc bằng cách chọn một hóa chất như vậy thành phần của chất bán dẫn mà độ dốc vùng cấm—cấu trúc khe hở phân loại—xuất hiện bên trong. Kết quả là, hiệu suất của một nguyên tố nhất định phụ thuộc vào các đặc tính không đồng nhất thu được bên trong cấu trúc chất bán dẫn cụ thể cũng như tính quang dẫn.

Để giảm tổn thất trong pin mặt trời, một số quy định được sử dụng trong sản xuất của chúng. Thứ nhất, chất bán dẫn được sử dụng có vùng cấm tối ưu chỉ đối với ánh sáng mặt trời, ví dụ như các hợp chất của silicon và gali arsenua.Thứ hai, các đặc tính của cấu trúc được cải thiện bằng cách pha tạp tối ưu. Ưu tiên cho các cấu trúc không đồng nhất và được phân loại. Độ dày tối ưu của lớp, độ sâu của tiếp giáp p-n và các thông số tốt nhất của lưới tiếp xúc được chọn.

Các phần tử thác cũng được tạo ra, trong đó một số chất bán dẫn với các dải tần số khác nhau hoạt động, sao cho sau khi đi qua một tầng, ánh sáng sẽ đi vào tầng tiếp theo, v.v. các vùng được biến đổi từ phần riêng biệt của tế bào quang điện.

Có ba loại tế bào quang điện chính trên thị trường hiện nay: silicon đơn tinh thể, silicon đa tinh thể và màng mỏng.Các màng mỏng được coi là hứa hẹn nhất vì chúng nhạy cảm ngay cả với ánh sáng lạc, có thể đặt trên các bề mặt cong, không giòn như silicon và hiệu quả ngay cả ở nhiệt độ hoạt động cao.

Xem thêm: Hiệu quả của pin mặt trời và mô-đun