Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 2: Năng lượng mặt trời - Nguyễn Quang Nam (Phần 1)

1Bài giảng 3
408004
Năng lượng tái tạo
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK1
nqnam@hcmut.edu.vn
2Bài giảng 3
Ch. 2: Năng lượng mặt trời
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
3Bài giảng 3
Tế bào quang điện
4Bài giảng 3
Xu hướng giá thành pin quang điện
5Bài giảng 3
Sản lượng PV trên thế giới
6Bài giảng 3
Các nguyên tố quan trọng
7Bài giảng 3
Cấu tạo và ký hiệu của nguyên tố silic

 Nguyên tử silic có 4 điện tử hóa trị, với ký hiệu thường dùng 
như hình bên phải.
8Bài giảng 3
Mạng tinh thể silic

 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 
giản lược có dạng phẳng.
9Bài giảng 3
Mức năng lượng

 Khoảng 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.
10Bài giảng 3
Hiệu ứng quang 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 
chế tạo diode phát quang – LED).
11Bài giảng 3
Năng lượng trong silic bị chiếu sáng

 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 λ:
h là hằng số Planck (= 6,626.10−34 J.s)
λ
hcE =
12Bài giảng 3
Ví dụ 8.1

 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:
m 1011,1
106,112,1
10310626,6 6
19
834
−
−
−
×=
××
×××
=≤
E
hcλ

 Như vậy, ở các bước sóng dài hơn 1,11 µm, 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.
13Bài giảng 3
Vùng năng lượng có ích
14Bài giảng 3
Bước sóng giới hạn của các vật liệu

 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 
quang điện.
15Bài giảng 3
Quang phổ mặt trời
16Bài giảng 3
Ảnh hưởng của band-gap đến hiệu suất

 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.
17Bài giảng 3
Hiệu suất quang điện thực tế
18Bài giảng 3
Mối nối p-n

 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.
19Bài giảng 3
Mối nối p-n

 Vùng n được tạo ra bằng một nguyên tử hóa trị 3 liên 
kết với mạng tinh thể silic.
20Bài giảng 3
Mối nối p-n

 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.
21Bài giảng 3
Diode từ mối nối p-n

 Phương trình Shockley:
( )1/0 −= kTqVd deII
22Bài giảng 3
Ví dụ 8.2

 Xét 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:
a. Id = 0 suy ra Vd = 0
b. Sắp xếp lại để tính Vd theo Id:
c. Id = 10 A, Vd = 0,592 V
V 532,01
10
1ln
9,38
11ln
9,38
1
9
0
=





+=





+=
−I
IV dd
23Bài giảng 3
Tế bào quang điện
24Bài giảng 3
Mạch tương đương đơn giản của PV
25Bài giảng 3
Hai tham số quan trọng của PV

 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.
26Bài giảng 3
Mạch tương đương đơn giản của PV
( )1/0 −−= kTqVSC eIII






+= 1ln
0I
I
q
kTV SCOC
ISC V
I
27Bài giảng 3
Ví dụ 8.3

 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 °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):
V 627,01ln0257,0
0
=





+=
I
IV SCOC
V 61,0=OCV
28Bài giảng 3
Ví dụ 8.3
29Bài giảng 3
Mạch tương đương chính xác của PV

 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:
ISC
Rs
Rsh
I
V
VOC
30Bài giảng 3
Ghép pin quang điện

 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 
nhau thành một dãy pin quang điện.
31Bài giảng 3
Ghép tế bào thành tấm pin

 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 
cho ứng dụng thực tế.
32Bài giảng 3
Ví dụ 8.4

 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 °C I0 = 6.10-10 A. 
Rsh = 6,6 Ω và Rs = 0,006 Ω. Tính điện áp, dòng điện, và
công suất phát ra khi điện áp mỗi tế bào là 0,5 V
Giải: Dòng điện phát ra:
Điện áp và công suất phát ra:
( ) A 16,3/19,380 =−−−= shdVSC RVeIII d
( ) V 43,17module =−= sd IRVnV
 W5516,343,17modulemodule =×== IVP
33Bài giảng 3
Ghép tấm pin thành dãy pin

 Các tấm pin có thể được 
ghép nối tiếp (để tăng điện 
áp) hoặc ghép song song 
(để tăng dòng điện).
34Bài giảng 3
Đặc tính I-V của pin quang 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.
35Bài giảng 3
Một số tấm pin tiêu biểu
36Bài giảng 3
Ảnh hưởng của nhiệt độ và bức xạ
37Bài giảng 3
Ảnh hưởng của bóng che

 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:

 Độ thay đổi điện áp tương ứng:
( )sshSH RRIV
n
nV +−
−
=
1
shSH RI
n
VVVV ⋅+=−=∆
38Bài giảng 3
Ảnh hưởng của bóng che
39Bài giảng 3
Ví dụ 8.6

 Tấm pin trong ví dụ 8.4 có điện trở Rsh = 6,6 Ω (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 là
Điện áp ngõ ra của tấm pin là
V 66,14=⋅+=∆ shRI
n
VV
V 75,4=∆−= VVVnew
40Bài giảng 3
Ví dụ 8.6 (tt)
Công suất của tấm pin
P = 4,75 × 2,14 = 10,1 W
Điện áp rơi trên tế bào bị che là
Công suất tiêu tán trên tế bào đó
 W2,30== IVP cc
( ) V 14,14=+= sshc RRIV
41Bài giảng 3
Khắc phục hiện tượng bóng che

 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
nối tắt tế bào bị che đó.
42Bài giảng 3
Khắc phục hiện tượng bóng che

 Ngoài ra chúng ta còn dùng diode chặn để ngăn dòng điện 
chạy vào nhánh song song có tấm pin bị che khuất.