Tế Bào Quang điện - Tuổi Trẻ Online

Tế bào quang điện

TTO - 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.

Pin mặt trời hoạt động theo một nguyên lý đơn giản, gọi là hiệu ứng quang điện (photoelectric effect), theo đó các hạt tích điện sẽ được giải phóng ra khỏi vật liệu khi hấp thụ năng lượng mặt trời.

Nguyên lý này được sử dụng trong tế bào quang điện để chuyển đổi quang năng thành điện năng. Tuy nhiên, năng suất năng lượng từ mỗi pin quang điện rất thấp 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 mặt trời chiếu vào pin được chuyển đổi thành điện. Các nhà khoa học đã tạo ra các bước đột phá trong công nghệ quang điện. Năm 2003, các nhà nghiên cứu ở California công bố đã phát triển được các tế bào quang điện có khả năng chuyển đổi 36,9% năng lượng mặt trời thành điện năng. Điều này có thể so sánh với các nhà 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 năng lượng mặt trời. Nhiều người hy vọng rằng những bước đột phá khác về mặt công nghệ sẽ gia tăng hiệu suất của pin quang điện và làm giảm chi phí chế tạo và vận hành. Hiện nay, điện năng tạo ra từ các nhà máy năng lượng mặt trời có giá thành gấp từ 3 đến 5 lần so với điện năng tạo ra bởi các nhà máy chạy bằng nhiên liệu hóa thạch.

Pin mặt trời đã được sử dụng rộng rãi trong các công việc thám hiểm không gian và thường được lắp đặt trên các con tàu vũ trụ và vệ tinh nhân tạo để cung cấp điện năng cho nhiều hoạt động khác nhau. Đa số các vệ tinh truyền thông đều có 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 mặt trời là cấp điện cho các loại máy tính bỏ túi. Nhưng các pin mặt trời cỡ lớn cũng dùng cho các ứng dụng thương mại. Hoa Kỳ, Nhật Bản, Thái Lan, Ấn Độ và nhiều nước khác đang tìm kiếm những phương cách để khai thác các tia mặt trời nhằm sản 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 nhà máy năng lượng mặt trời tăng 150% giữa các năm 2000 và 2003. Chỉ riêng năm 2002, 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, cần phải xem xét chúng ở mức độ nguyên tử. Mỗi pin được cấu tạo bằng một lớp mỏng silic 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 quanh hạt nhân, hay là tâm nguyên tử, trong nhiều lớp vỏ đồng tâm, còn gọi là các lớp không gian. Các nguyên tử kết hợp với một nguyên tử khác thông qua các hoạt động của các electron tạo nên lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử. Ví dụ, nguyên tử silic có bốn electron ở lớp vỏ ngoài cùng. Trong tinh thể silic, mỗi nguyên tử thường 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 lực như ánh sáng, nhiệt hoặc điện năng, electron này sẽ chuyển động tự do trong tinh thể đồng thời để lại một lỗ trống trong mạng tinh thể. Lỗ trống này cư xử như một điện tích dương.

Mỗi lần có một electron của một nguyên tử lân cận di chuyển vào lỗ trống thì đồng thời electron này cũng tạo ra một lỗ trống mới đằng sau nó. Cứ như thế, các lỗ trống có thể di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác trong tinh thể. Do vậy, khi có nguồn năng lượng bên ngoài tác dụng vào tinh thể thì sẽ có một số điện tích âm và điện tích dương được tạo ra và chuyển động tự do trong tinh thể. Chúng chuyển động ngẫu nhiên và cân bằng với nhau.

Giả sử có một lượng rất nhỏ arsen được cho vào tinh thể silic. Nguyên tử arsen có năm electron ở lớp vỏ ngoài cùng. Nếu nguyên tử arsen kết hợp vối bốn nguyên tử silic lân cận (giống như nguyên tử silic kết hợp với các nguyên tử lân cận 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 làm tăng số electron chuyển động tự do. Xét toàn bộ thì tinh thể vẫn còn trung hòa điện vì các electron tự do tăng thêm sẽ cân bằng với các ptoton mang điện tích dương trong hạt nhân của nguyên tử arsen.

Kết quả sẽ khác đi nếu cho boron vào trong tinh thể silic. Mỗi nguyên tử boron chỉ có ba electron ở lớp vỏ ngoài cùng. Nếu nguyên tử boron kết hợp với bốn nguyên tử silic lân cận, do thiếu một electron nên sẽ có một lỗ trống dương trong mạng tinh thể quanh nguyên tử boron. Ngay cả chỉ một lượng rất nhỏ boron thì vẫn có một số rất đáng kể các nguyên tử tạo nên một số các lỗ trống mang điện tích dương dôi ra trong mạng tinh thể. Và lần nữa, tính trung hòa của toàn mạng tinh thể vẫn không thay đổi.

Tạo điện trường.

Bây giờ, giả sử rằng arsen được cho vào một nửa tinh thể silic và boron được cho vào nửa kia. Mỗi một nửa tinh thể silic vẫn còn trung hòa điện, tuy nhiên, mật độ 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 tinh thể có arsen. Vì cả hai loại điện tích chuyển động hỗn độn nên chúng có khuynh hướng khuếch tán khắp toàn bộ tinh thể, đi qua đường biên phân cách giữa hai nửa tinh thể.

Phía nửa tinh thể silic có boron sẽ tích điện âm vì các electron thừa di chuyển về phía này. Ngược lại, về phía có arsen trở thành tích điện dương vì nhận các lỗ trống. Các điện tích này sẽ tập hợp các electron và lỗ trống từ phía bên này sang phía bên kia của tinh thể. Cuối cùng, các điện tích trở nên đủ mạnh để ngăn không cho sự khuếch tán qua đường biên xảy ra nữa. Phía tích điện âm sẽ đẩy các electron; phía tích điện dương sẽ đẩy các lỗ trống. Khi có sự cân bằng thì tồn tại sẵn một điện trường.

Tạo dòng

Các nhà khoa học sử dụng điện trường đã có được để tạo nên dòng điện. Trong ứng dụng này, là pin mặt trời, gồm hai lớp vật liệu cực mỏng-thường là bằng silic-được dùng để chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng. Một tạp chất được cho vào một trong hai lớp silic khiến cho lớp này tích điện dương (được gọi là lớp silic loại p), ở lớp silic còn lại cho vào loại tạp chất để lớp này trở thành tích điện âm (được gọi là lớp silic loại n). Vùng phân cách giữa hai lớp này gọi là vùng chuyển tiếp p-n.

Các đầu cuối được gắn vào hai mặt của pin mặt trời và các điểm cuối này được nối bằng dây. Khi ánh sáng mặt trời đập vào lớp vật liệu làm cho các electron bật ra khỏi mạng tinh thể quanh vùng chuyển tiếp và tạo ra cặp electron-lỗ trống.

Cứ như thế, trạng thái cân bằng giữa hai lớp silic bị phà vỡ. Các electron sẽ di chuyển từ đầu cuối của lớp silic loại n theo đường dây dẫn điện đến đầu cuối của lớp silic loại p. Dòng điện tiếp tục chạy trong dây dẫn cho đến chừng nào còn ánh sáng mặt trời chiếu vào các lớp silic.

Pin mặt trời thu hút được nhiều sự chú ý do tính chất đơn giản và hoạt động tương đối dễ dàng. Giống như tất cả các lĩnh vực liên quan đến năng lượng mặt trời, pin mặt trời có khả năng to lớn để được sử dụng trên quy mô rộng lớn.

Nói chung, xét về mặt môi trường, năng lượng mặt trời là an toàn nhất trong tất cả các nguồn năng lượng. Khi xét đến nguồn cung cấp bức xạ mặt trời có sẵn hầu như vô tận, chắc chắn nhiều chuyên gia xem nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng đầy hứa hẹn nhất cho tương lai.

PHẠM THU HÒA – NGUYỄN ĐĂNG KHOA biên dịch