Tế bào quang điện là chuyển đổi năng lượng từ quang năng thành điện năng dựa trên hiệu ứng quang điện do nhà khoa học Pháp Edmond Bekkerel phát hiện ra lần đầu tiên vào năm 1839. Các thiết bị thực hiện quá trình chuyển đổi năng lượng này được gọi là tế bào quang điện. Các tế bào quang điện được cấu tạo từ hai lớp vật liệu bán dẫn có tính dẫn điện khác nhau. Cực âm được làm bằng vật liệu bán dẫn loại ‘n’(dư thừa electron) và cực dương làm bằng vật liệu bán dẫn loại ‘p’ (không đủ electron). Bề mặt của tế bào quang điện được phủ một lớp chống phản xạ để tránh làm mất lượng ánh sáng Mặt trời khi chiếu vào. Cho tới nay, vật liệu chủ yếu để chế tạo tế bào quang điện là silicon gồm ba loại.

• Một là tế bào quang điện Mono được làm bằng silicon đơn tinh thể, có độ tinh khiết cao, thường đắt hơn so với các tế bào khác. Các góc của các tế bào nhìn giống như bị cắt bớt, tạo thành hình bát giác. Ưu điểm của loại tế bào quang điện này là có hiệu suất sử dụng cao (khoảng 14-17%), thời gian sử dụng dài và có thể hoạt động tốt ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu. Tuy nhiên, nhược điểm của tế bào quang điện Mono là khá đắt so với các loại khác.

• Hai là tế bào quang điện Poly được làm bằng silicon đa tinh thể, chế tạo từ khối silicon vuông đúc nóng chảy và được làm mát, làm cứng lại. Đây là loại tế bào quang điện được sử dụng phổ biến. Nó có mức độ giãn nở và chịu được nhiệt độ cao và quá trình sản xuất đơn giản, ít tốn kém nên giá thành thấp hơn so với dòng pin Mono. Tuy nhiên, nhược điểm của tế bào quang điện Poly là có hiệu suất kém hơn so với tế bào Mono, dao động khoảng 13-15%.

• Ba là tế bào quang điện màng mỏng được làm bằng silicon vô định hình, chế tạo bằng cách “phun” lớp màng silicon lên một bề mặt định hình nào đó như tấm thủy tinh chẳng hạn. Độ dày của lớp màng silicon này nhỏ hơn 1µm. Loại tế bào này dễ chế tạo nhất nên có giá thành thấp nhất nhưng chỉ đạt hiệu suất 5-7%. Các tế bào quang điện có nguyên lý hoạt động như sau: khi chiếu vào tế bào quang điện, ánh sáng sẽ làm các electron bị bật ra khỏi nguyên tử của lớp n và di chuyển về phía lớp p để chiếm những chỗ còn trống. 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. Như vậy, trong một tế bào quang điện, các electron chạy vòng quanh, đi ra từ lớp p, đi qua một phụ tải và quay trở lại lớp n, tạo thành dòng điện một chiều.

Các tế bào quang điện được ứng dụng để chế tạo pin Mặt trời cho các thiết bị gia dụng, phương tiện giao thông, vệ tinh và trong trường hợp hiếm hoi, cung cấp điện cho các nhà máy điện. Ngoài ra, tế bào quang điện có khả năng cảm biến ánh sáng, điển hình như cảm biến hồng ngoại. Do đó, nó có thể được sử dụng để phát hiện ánh sáng hoặc bức xạ điện từ khác gần phạm vi nhìn thấy được hay có thể đo cường độ ánh sáng.

Tập tin:Sơ đồ nguyên lý của tế bào quang điện.png

Sơ đồ nguyên lý của tế bào quang điện

Tài liệu tham khảo

1. Maran T., McCartney D., Encyclopedia of Alternative and Renewable Energy, V.28 (Silicon Wafer-Based Solar Cells), Callisto Reference, 2015.
2. Quang Hùng. Từ điển chuyên ngành điện Anh - Việt. Nxb. Thanh niên, 2000.
3. Vũ Đình Cự. Từ điển vật lý và công nghệ cao. Nxb. Khoa học và Kỹ thuật, 2001