Năng lượng tái tạo - Chương 2: Năng lượng mặt trời - Tế bào quang điện

408004Năng lượng tái tạoGiảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam2013 – 2014, HK1ài giảng 3Ch. 2: Năng lượng mặt trời2.2. Tế bào quang điện2.3. Đặc tính I-V của pin quang điện2.4. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng che2Bài giảng 3Tế bào quang điện3Bài giảng 3Xu hướng giá thành pin quang điện4Bài giảng 3Sản lượng PV trên thế giới5Bài giảng 3Các nguyên tố quan trọng6Bài giảng 3Cấu tạo và ký hiệu của nguyên tố silicNguyên tử silic có 4 điện tử hóa trị, với ký hiệu thường dùng như hình bên phải.7Bài giảng 3Mạng tinh thể silicCác 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 giản lược có dạng phẳng.8Bài giảng 3Mức năng lượngKhoảng cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị xác định loại vật liệu: vật dẫn, bán dẫn, hay cách điện. Thế Fermi nằm giữa vùng dẫn và vùng hóa trị trong bán dẫn và cách điện.9Bài giảng 3Hiệu ứng quang điệnKhi 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 chế tạo diode phát quang – LED).10Bài giảng 3Năng lượng trong silic bị chiếu sángKhi 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 l:h là hằng số Planck (= 6,626.1034 J.s)11Bài giảng 3Ví dụ 8.1Tìm 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:Như vậy, ở các bước sóng dài hơn 1,11 mm, ánh sáng sẽ không tạo ra được hiệu ứng quang điện. Ngoài ra, mức năng lượng thừa của các bước sóng ngắn hơn cũng sẽ bị lãng phí.12Bài giảng 3Vùng năng lượng có ích13Bài giảng 3Bước sóng giới hạn của các vật liệuCác 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 quang điện.14Bài giảng 3Quang phổ mặt trời15Bài giảng 3Ảnh hưởng của band-gap đến hiệu suấtVới 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.16Bài giảng 3Hiệu suất quang điện thực tế17Bài giảng 3Mối nối p-nMối 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.18Bài giảng 3Mối nối p-nVùng n được tạo ra bằng một nguyên tử hóa trị 3 liên kết với mạng tinh thể silic.19Bài giảng 3Mối nối p-nHai 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.20Bài giảng 3Diode từ mối nối p-nPhương trình Shockley:21Bài giảng 3Ví dụ 8.2Xét diode p-n ở 25 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:Id = 0 suy ra Vd = 0Sắp xếp lại để tính Vd theo Id:Id = 10 A, Vd = 0,592 V22Bài giảng 3Tế bào quang điện23Bài giảng 3Mạch tương đương đơn giản của PV24Bài giảng 3Hai tham số quan trọng của PVĐiện 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 0.25Bài giảng 3Mạch tương đương đơn giản của PVISCVI26Bài giảng 3Ví dụ 8.3Khảo 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 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 mạch ISC = 4 A. Áp dụng công thức tính VOC tại 25 C:Tính lại với dòng điện ngắn mạch bằng một nửa (= 2 A):27Bài giảng 3Ví dụ 8.328Bài giảng 3Mạch tương đương chính xác của PVNếu 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:ISCRsRshIVVOC29Bài giảng 3Ghép pin quang điệnCác 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 nhau thành một dãy pin quang điện.30Bài giảng 3Ghép tế bào thành tấm pinVì 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 cho ứng dụng thực tế.31Bài giảng 3Ví dụ 8.436 tế bào được ghép nối tiếp thành tấm pin. Ở điều kiện chuẩn, mỗi tế bào có ISC = 3,4 A và ở 25 C I0 = 6.10-10 A. Rsh = 6,6 W và Rs = 0,006 W. Tính điện áp, dòng điện, và công suất phát ra khi điện áp mỗi tế bào là 0,5 VGiải: Dòng điện phát ra:Điện áp và công suất phát ra:32Bài giảng 3Ghép tấm pin thành dãy pinCác tấm pin có thể được ghép nối tiếp (để tăng điện áp) hoặc ghép song song (để tăng dòng điện).33Bài giảng 3Đặc tính I-V của pin quang điệnTừ 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.34Bài giảng 3Một số tấm pin tiêu biểu35Bài giảng 3Ảnh hưởng của nhiệt độ và bức xạ36Bài giảng 3Ảnh hưởng của bóng cheXét 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:Độ thay đổi điện áp tương ứng:37Bài giảng 3Ảnh hưởng của bóng che38Bài giảng 3Ví dụ 8.6Tấm pin trong ví dụ 8.4 có điện trở Rsh = 6,6 W (cho mỗi tế 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.Giải: Sụt áp của tấm pin làĐiện áp ngõ ra của tấm pin là39Bài giảng 3Ví dụ 8.6 (tt)Công suất của tấm pinP = 4,75  2,14 = 10,1 WĐiện áp rơi trên tế bào bị che làCông suất tiêu tán trên tế bào đó40Bài giảng 3Khắc phục hiện tượng bóng cheNếu 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 nối tắt tế bào bị che đó.41Bài giảng 3Khắc phục hiện tượng bóng cheNgoài ra chúng ta còn dùng diode chặn để ngăn dòng điện chạy vào nhánh song song có tấm pin bị che khuất.42Bài giảng 3