Vì sao vật liệu quang điện lại có thể thực hiện việc chuyển đổi quang năng thành điện năng?

Vật liệu quang điện thường được dùng để chế tạo pin Mặt Trời. Vật liệu quang điện có thể biến đổi quang năng thành điện năng. Ngày nay trên toàn thế giới có đến 90% thiết bị bay dùng pin Mặt Trời để cung cấp năng lượng. Công suất của các pin có thể từ vài watt đến hạng vạn watt. Vào ngày 7-9-1988, Trung Quốc đã phóng vệ tinh khí tượng “Phong vân 1” đầu tiên lên quỹ đạo. Trong vệ tinh có 14266 pin Mặt Trời kích thước 2 cm x 2 cm, công suất 830 watt, hiệu suất chuyển đổi quang điện 12-14%, trong đó có một khối pin chế tạo bằng vật liệu gali arsenide có hiệu suất chuyển đổi đến 33%.

Vật liệu quang điện thực hiện việc chuyển đổi quang năng thành điện năng như thế nào?

Vật liệu quang điện thường là các chất bán dẫn. Vật liệu bán dẫn vừa có tính dẫn điện lại vừa không dẫn điện. Nếu đưa vào tinh thể chất bán dẫn silic một ít phospho, lớp electron lớp ngoài cùng của nguyên tử phospho có 5 electron, nhiều hơn nguyên tử bán dẫn silic 1 electron. Khi nhiệt độ của tinh thể tăng cao hoặc khi bị chiếu sáng thì electron nhiều hơn này sẽ nhận năng lượng và thóat khỏi nguyên tử phospho trở thành electron tự do làm điện trở suất của chất bán dẫn giảm. Nếu ta lại đưa vào tinh thể chất bán dẫn silic một ít bo, thì do vành electron lớp ngoài cùng có 3 electron, ít hơn ở nguyên tử silic 1 electron. Do việc đưa bo vào tinh thể silic sẽ hình thành các “lỗ trống”, các “lỗ trống” tích điện dương, có thể chuyển động tự do bên trong tinh thể bán dẫn như các electron tự do.

Loại chất bán dẫn hoạt động phụ thuộc electron tự do được gọi là “bán dẫn loại n” còn chất bán dẫn hoạt động theo cơ chế lỗ trống được gọi là “bán dẫn loại p” Nếu người ta ghép giữa hai chất bán dẫn một lớp rất mỏng thế nào cho một bên của lớp mỏng là bán dẫn loại p còn bên kia là chất bán dẫn loại n, ta sẽ được chất bán dẫn có cấu trúc “p-n”. Trong ánh sáng Mặt Trời có các photon (photon) là những hạt có năng lượng, khi ánh sáng Mặt Trời chiếu vào vật liệu quang điện, cấu trúc p-n sẽ nhận năng lượng, các electron tự do trong chất bán dẫn loại n sẽ nhận năng lượng tạo thành các electron tự do tích điện âm, còn lỗ trống trong bán dẫn loại p tích điện dương. Nhờ đó giữa hai đầu của chất bán dẫn silic xuất hiện một điện thế. Nối hai đầu chất bán dẫn bằng dây dẫn ta sẽ có dòng điện chạy qua.

Ngày nay vật liệu quang điện được sử dụng rộng rãi trong máy tính electron, trong đồng hồ đeo tay. Vào thế kỷ XXI chắc sẽ xuất hiện các nóc nhà phát điện Mặt Trời, các xe ô tô chạy bằng điện Mặt Trời được sử dụng rộng rãi. Vật liệu quang điện sẽ gắn chặt với cuộc sống.