Trang chủ

Trắc nghiệm

Phụ lục

Lịch sử vật lí

Bài đọc thêm

 

 

 

 

 

 

 

 

Những tấm Pin năng lượng mặt trời cung cấp năng lượng cho tiêu dùng hoạt động dựa trên nguyên tắt và hiện tượng nào?

 

I - TÍNH QUANG DẪN HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG

 

1. Hiện tượng quang điện trong

 

 

Dựa vào thuyết lượng tử, ta có thể giải thích tính quang dẫn của các chất nói trên như sau: Khi không bị chiếu sáng, các êlectron ở trong các chất nói trên điều trạng thái liên kết với các ion ở nút mạng tinh thể. Không có êlectron tự do. Khi đó các chất nói trên là chất cách điện.

    Khi chiếu sáng chất quang dẫn, mi phôtôn của ánh sáng kích thích sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một êlectron liên kết. Nếu năng lượng mà êlectron nhận được đủ lớn thì êlectron đó có thể được giải phóng khỏi mối liên kết để trở thành êlectron dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện. Mặt khác, khi êlectron liên kết được giải phóng thì nó sẽ để lại một lỗ trống. Lỗ trống này cũng tham gia vào quá trình dn điện. Kết quả là khối chất nói trên trở thành chất dn điện.

      Hiện tượng tạo thành các electron dẫn lỗ trống trong chất n dẫn, do tác dụng của ánh sáng bước sóng thích hợp  gọi là hiện tượng quang điện trong.

      Năng lượng tối thiểu cần thiết của phôtôn để gây ra được thực hiện tượng quang điện trong gọi là năng lượng kích hoạt (A). Nó đóng vai trò như công thoát mà ta đã đề cập trong bài trước.

      Muốn gây ra hiện tượng quang dẫn trong thì ánh sáng kích thích phải có bước sóng ngắn hơn hoặc bằng một giá trị nào đó λ0, gọi là giới hạn quang dẫn của chất bán dẫn.

       Vì năng lượng cần thiết để giải phóng electron liên kết trong chất bán dẫn thường nhỏ hơn công thoát A của electron trong kim loại, nên giới hạn quang điện của chất bán dẫn nằm trong vùng ánh sáng hồng ngoại.

 

Bảng 46.1 Năng lượng kích hoạt và giới hạn quang dẫn của một số chất

Chất

A (eV)

λ0 (mm)

Ge

0,66

1,88

Si

1,12

1,11

PbS

0,30

4,14

PbSe

0,22

5,65

PbTe

0,25

4,97

CdS

0,72

0,90

CdTe

1,51

0,82

C1. So sánh độ lớn của giới hạn quang dẫn với độ lớn của giới hạn quang điện và đưa ra nhận xét. Giải thích tại sao?

 

2. Hiện tượng quang quang dẫn

 

Một số chất bán dẫn như Ge, Si, PbS, PbSe, PbTe, Cdse, CdTe... có tính chất đặc biệt sau đây: Chúng là chất cách điện khi không bị chiếu sáng và trở thành chất dẫn điện khi bị chiếu sáng. Tính chất này gọi là tính quang dẫn.

Hiện tượng giảm điện trở suất, tức là tăng độ dẫn điện của chất bán dẫn khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào gọi là hiện tượng quang dẫn

Hiện tượng dẫn được giải thích dựa vào hiện tượng quang điện trong. Khi chất bán dẫn được chiếu sáng bằng ánh sáng thích hợp sẽ làm đứt các mối liên kết giữa các electron và mạng tinh thể tạo thành các lỗ trống và electron tự do. Do đó mật độ các hạt dẫn điện tăng, tức điện trở suất nó giảm. Cường độ ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn càng mạnh thì điện trở suất của nó càng nhỏ.

 

II - QUANG ĐIỆN TRỞ

 

         Quang điện trở có cấu tạo gồm: một sợi dây (hoặc một màng) bằng chất quang dẫn (1) gắn trên một đế cách điện (2) (H.46.1). Kí hiệu của quang trở trong sơ đồ điện được vẽ trên hình 46.2.

       Một quang điện trở bằng CdS có điện trở vào khoảng 3.10-6W khi không được chiếu sáng, và có điện tr vào khoảng 20W khi được chiếu sáng.

       Các quang điện trở thường được lắp với các tranzito trong các thiết bị điều khiển tự động bằng ánh sáng (H.46.3), trong các máy đo ánh sáng và trong nhiều thiết bị khác.       

Hình 46.1

Hình 46.2

Hình 46.3

Các chốt M và N sẽ được nối với một rơle điện từ hoặc một thiết bị điều khin nào đó.

C2. Hãy phân tích hoạt động của quang điện trở trong mạnh điện hình 46.3.

III - PIN QUANG ĐIỆN

 

1. Pin quang điện (còn gọi là pin Mặt Trời) là một nguồn điện chạy bằng năng lượng ánh sáng. Nó biến trực tiếp quang năng thành điện năng.

2. Hiệu suất của các pin quang điện chỉ vào khoảng trên dưới 10%.

3. Các pin quang điện thường được làm bằng Si, Se, Ge, Te, CdS, GaAs... Ta hãy xét cấu tạo và hoạt động chung của pin quang điện.

Hình 46.4

 

Sơ đồ cấu tạo của pin quang điện

 

Hình 46.5

 

Ảnh một ngôi nhà được cung cấp điện bằng những tấm pin Mặt trời chế tạo từ silic được đặt trên mái nhà

 

        a. Pin có một tấm bán dẫn loại n, bên trên có phủ một lớp mỏng chất bán dẫn loại p (H.46.4). Có thể tạo ra lớp này bằng cách cho khuếch tán một tạp chất thích hợp vào lớp bề mặt của lớp bán dẫn loại n. Trên cùng là một lớp kim loại rất mỏng. Dưới cùng là một đế kim loại. Các kim loại này cùng đóng vai trò các điện cực trơ.

        b. Êlectron sẽ khuếch tán từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p, để lại những lỗ trống dương. Các êlectron này vẫn có liên kết với các lỗ trống tạo thành một lớp gọi là lớp tiếp xúc p – n. Trong lớp tiếp xúc này có điện trường Etx hướng từ dương sang âm, tức là hướng từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p. Điện trường Etx ngăn cản sự khuếch tán của êlectron từ n sang p và lỗ trống từ p sang n. Vì vậy người ta còn gọi lớp tiếp xúc này là lớp chặn.

        c. Khi chiếu ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang dẫn vào lớp kim loại mỏng phía trên cùng thì ánh sáng sẽ đi xuyên qua lớp này vào lớp bán dẫn loại p, gây ra hiện tượng quang điện trong và giải phóng ra các cặp êlectron và lỗ trống. Êlectron khuếch tán dễ dàng từ p sang n qua lớp chặn. Còn lỗ trống thì bị chặn lại và ở lại trong lớp p. Kết quả là điện cực kim loại mỏng ở trên sẽ nhiễm điện dương và trở thành điện cực dương của pin, còn đế kim loại ở phần dưới sẽ nhiễm điện âm và trở thành điện cực âm của pin.

Nếu nối hai điện cực bằng một dây dẫn thông qua một ampe kế thì sẽ có dòng quang điện chạy từ cực dương sang cực âm.

Suất điện động của pin quang điện nằm trong khoảng từ 0,5V đến 0,8V.

4. Vậy nguyên tắc hoạt động của pin quang điện là dựa vào hiện tượng quang điện trong xy ra bên cạnh một lớp chặn.

5. Pin quang điện đã được dùng làm nguồn điện cho các trạm nghiên cứu và cho sinh hoạt ở những nơi khó khăn cho việc dẫn điện lưới đến như: núi cao, hải đảo, các phương tiện lưu động, vệ tinh nhân tạo, trạm vũ trụ...

Để tránh gây ô nhiễm môi trường, người ta đã nghiên cứu thay thế các động cơ chạy xăng ở ôtô, máy bay... bằng các động cơ chạy bằng pin quang điện.

Người ta sử dụng Pin quang điện để biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng (Solar cell). Nếu dùng pin quang điện bằng chất bán dẫn Silic, hiệu suất của nó có thể đạt đến 14-15%. Người ta tính được trên diện tích 1m2 của pin quang điện được ánh sáng chiếu tới ta có thể nhận được một công suất điện là 100 W và như vậy với diện tích của một mái nhà trung bình ta có đủ điện năng để thỏa mãn mọi tiện nghi cho một gia đình. Tuy nhiên, về giá thành của các Pin quang điện hiện nay còn tương đối khá đắc so với các nguồn năng lượng khác.

 

C3. Hãy giải thích tác dụng của lớp chặn.

C4. Tại sao lỗ trống tự do lại có thể khuếch tán từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p qua lớp chặn.

 

 

Hiện tượng tạo thành các electron dẫn lỗ trống trong chất n dẫn, do tác dụng của ánh sáng bước sóng thích hợp  gọi là hiện tượng quang điện trong.

Hiện tượng giảm điện trở suất, tức là tăng độ dẫn điện của chất bán dẫn khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào gọi là hiện tượng quang dẫn.

Cường độ ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn càng mạnh thì điện trở suất của nó càng nhỏ.

Quang điện trở là một điện trở làm bằng chất quang dẫn.

Pin quang điện là pin chạy bằng năng lượng ánh sáng. Nó biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng. Pin hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện trong xảy ra bên cạnh một lớp chặn

Trang chủ

Trắc nghiệm

Phụ lục

Lịch sử vật lí

Bài đọc thêm