Chất quang dẫn là gì? Hiện tượng quang điện trong là gì?

Chất quang dẫn là một loại vật liệu bán dẫn có khả năng dẫn điện tốt hơn khi được chiếu sáng bởi ánh sáng có năng lượng phù hợp. Nói cách khác, ánh sáng đóng vai trò như chìa khóa mở ra cánh cửa dẫn điện cho chất bán dẫn, biến nó từ trạng thái dẫn điện kém sang trạng thái dẫn điện tốt.

Hiện tượng quang điện trong xảy ra khi ánh sáng chiếu vào chất quang dẫn, tạo ra electron dẫn và lỗ trống. Các electron dẫn này có thể di chuyển tự do trong vật liệu, tạo ra dòng điện. Năng lượng của ánh sáng quyết định số lượng electron dẫn được tạo ra, từ đó ảnh hưởng đến cường độ dòng điện.

Chất quang dẫn là gì? 

Chất dẫn quang, hay còn được biết đến với tên gọi chất bán dẫn nhạy sáng (photoresistor hoặc photoconductor), là loại vật liệu bán dẫn có khả năng thay đổi điện trở khi phơi ánh sáng. Khi không có ánh sáng, chất dẫn quang có điện trở cao, tuy nhiên khi ánh sáng chiếu vào, các electron trong chất được kích thích, làm giảm điện trở và tăng khả năng dẫn điện.

Chất quang dẫn được chế tạo như thế nào?

Như đã đề cập trước đó, hầu hết các chất quang dẫn đều là các loại chất bán dẫn, được chia thành hai loại chính: bán dẫn N và bán dẫn P. Silic, khi ở dạng tinh thể, không phải là một chất dẫn điện tốt. Vì vậy, để cải thiện khả năng dẫn điện, ta cần thêm vào các tinh thể silic các hợp chất, một quá trình được gọi là doping.

Trong thiết bị photocell, lớp dưới của nó thường được phủ bằng bor để tạo thành điện cực dương (p), trong khi lớp trên thường được phủ bằng phospho để tạo thành điện cực âm (n). Mỗi photocell chỉ sản xuất một lượng điện nhỏ (thường chỉ vài W). Do đó, chúng thường được kết nối với nhau trong một tấm pin mặt trời (PV). Các tấm PV này có thể được sử dụng độc lập hoặc kết hợp với nhau để tạo thành một mô đun lớn.

Hiện nay, có hai công nghệ chính về pin mặt trời: tấm tinh thể silic (chiếm khoảng 75%) và pin/màng mỏng (chiếm khoảng 25%).

Hiện tượng quang điện trong là gì? 

Hiện tượng quang điện trong là một hiện tượng vật lý xảy ra khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn, tạo ra các electron dẫn và lỗ trống. Kết quả là, sự dẫn điện trong vật liệu được khởi tạo. Nói một cách đơn giản, ánh sáng hành động như một chiếc chìa khóa mở ra cánh cửa dẫn điện cho chất bán dẫn, biến nó từ trạng thái dẫn điện kém sang trạng thái dẫn điện tốt hơn.

Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện trong 

Để hiện tượng quang điện xảy ra, cần đáp ứng ba điều kiện cơ bản sau:

Năng lượng photon phải đủ lớn để kích thích:

Năng lượng của photon: Là năng lượng của ánh sáng khi chiếu vào chất bán dẫn.

Năng lượng kích thích: Là ngưỡng tối thiểu cần thiết để giải phóng electron khỏi nguyên tử trong chất bán dẫn.

Điều kiện này đảm bảo rằng photon mang đủ năng lượng để "đánh bật" electron ra khỏi vị trí của chúng, tạo ra cả electron dẫn và lỗ trống.

Bước sóng của ánh sáng phải nằm trong phạm vi phù hợp

Bước sóng của ánh sáng: Là độ dài của sóng ánh sáng.

Bước sóng giới hạn: Là bước sóng tối đa mà ánh sáng cần phải có để gây ra hiện tượng quang điện trong chất bán dẫn cụ thể.

Điều kiện này đảm bảo rằng photon có đủ mật độ năng lượng để "kích thích" electron ra khỏi nguyên tử.

Chất bán dẫn phải có điện trở suất đủ lớn

Điện trở suất: Là khả năng của vật liệu chống lại dòng điện.

Điều kiện này đảm bảo rằng sau khi electron được giải phóng, chúng có thể tự do di chuyển trong chất bán dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện.

Pin quang điện

Khái niệm

Pin quang điện, còn được gọi là pin mặt trời hoặc tế bào quang điện, là thiết bị có khả năng chuyển đổi ánh sáng trực tiếp thành điện. 

Cấu tạo

Pin quang điện bao gồm hai lớp bán dẫn tiếp xúc: một lớp bán dẫn loại p (với lỗ trống mang điện dương) và một lớp bán dẫn loại n (với electron mang điện âm). Lớp chặn nằm giữa hai lớp này, ngăn cản sự di chuyển của electron từ lớp này sang lớp kia.

Khi ánh sáng chiếu vào lớp bán dẫn loại p, electron dẫn sẽ được tạo ra. Chúng sẽ di chuyển ngay lập tức sang lớp bán dẫn loại n, làm cho lớp p nhiễm điện dương và lớp n nhiễm điện âm.

Phía trên lớp p có một lớp kim loại mỏng, cho phép ánh sáng đi qua và cũng dẫn điện, nối với một điện cực dương. Điện cực này là điện cực dương của pin.

Ở phía dưới lớp n là một lớp đế kim loại, là điện cực âm của pin.

Khi hai điện cực của pin quang điện được nối với một mạch điện bên ngoài, dòng điện một chiều sẽ chạy từ cực dương sang cực âm trong mạch điện ngoài.

Nguyên lý hoạt động

Pin quang điện hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào bề mặt của pin quang điện, các hạt ánh sáng (photon) được hấp thụ bởi vật liệu bán dẫn của pin. Photon mang năng lượng tác động vào các nguyên tử trong vật liệu bán dẫn, khiến các electron (hạt mang điện âm) trong nguyên tử nhận đủ năng lượng để nhảy ra khỏi vị trí cố định của chúng, tạo ra các lỗ trống (hạt mang điện dương) nơi electron vừa rời đi. Pin quang điện có một vùng gọi là tiếp xúc p-n, nơi hai loại vật liệu bán dẫn p-type (dư lỗ trống) và n-type (dư electron) tiếp xúc với nhau, tạo ra một điện trường nội tại. Điện trường này đẩy các electron tự do về phía lớp n-type và các lỗ trống về phía lớp p-type, ngăn cản electron và lỗ trống tái hợp, đồng thời tạo ra dòng điện một chiều khi các electron và lỗ trống di chuyển về các điện cực, tạo ra nguồn điện có thể sử dụng được.

Ứng dụng 

Hệ thống năng lượng mặt trời: Pin quang điện được sử dụng trong các hệ thống năng lượng mặt trời để cung cấp điện cho các hộ gia đình, doanh nghiệp và các cơ sở hạ tầng công cộng. Các tấm pin mặt trời lắp trên mái nhà hoặc trong các trang trại năng lượng mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, giúp giảm hóa đơn điện và cung cấp năng lượng sạch.

Thiết bị điện tử di động: Pin mặt trời nhỏ được tích hợp trong các thiết bị điện tử như máy tính cầm tay, đồng hồ và đèn pin. Chúng giúp kéo dài tuổi thọ pin và cung cấp năng lượng liên tục mà không cần thay pin thường xuyên.

Hệ thống đèn đường và tín hiệu giao thông: Pin quang điện cung cấp năng lượng cho đèn đường và các thiết bị tín hiệu giao thông, đặc biệt ở các khu vực không có lưới điện. Các hệ thống này giúp tăng cường an toàn giao thông và tiết kiệm năng lượng.

Vệ tinh và tàu vũ trụ: Pin quang điện là nguồn năng lượng chính cho các vệ tinh và tàu vũ trụ hoạt động ngoài không gian. Chúng cung cấp năng lượng cho các thiết bị liên lạc, điều khiển và các hệ thống khác trên tàu vũ trụ.