Sản xuất bởi: Science Popularization China
Sản xuất bởi: Trương Tuấn Đạt
Nhà sản xuất: Trung tâm thông tin mạng máy tính, Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc
Năng lượng tái tạo là năng lượng có thể tái sử dụng trong một phạm vi nhất định. Nói cách khác, miễn là Trái Đất và Mặt Trời không diệt vong thì các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt và năng lượng mặt trời là vô tận. Lấy năng lượng mặt trời làm ví dụ. Trái đất hấp thụ 173.000 terawatt năng lượng mặt trời, gấp 10.000 lần tổng năng lượng mà con người trên Trái đất sử dụng.
Chúng ta không khỏi thắc mắc, liệu một ngày nào đó xã hội loài người có thể hoạt động hoàn toàn bằng năng lượng mặt trời không?
Trên thực tế, con người từ lâu đã chú ý đến năng lượng mặt trời và cố gắng chuyển đổi nó thành điện năng có thể sử dụng trực tiếp. Cách ngu ngốc nhất là sử dụng ánh sáng mặt trời để cung cấp nhiệt đun sôi nước, sau đó sử dụng hơi nước từ nước sôi để tạo ra điện. Tuy nhiên, mỗi lần chuyển đổi năng lượng đều không tránh khỏi việc đi kèm với tiêu thụ, và phương pháp đun sôi nước này không thực sự hiệu quả. Vì vậy, mọi người đã đi sâu suy nghĩ: Làm thế nào để chuyển đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành năng lượng điện?
Người đầu tiên biến ý tưởng này thành hiện thực là Edmond Becquerel.
Edmond Becquerel (Nguồn ảnh: Wikipedia)
Một ngày nọ vào năm 1839, Edmund, khi đang nghiên cứu về hiện tượng phát quang, đã phát hiện ra một điều đáng kinh ngạc. Ông cho bạc clorua vào dung dịch axit, nối hai điện cực bạch kim rồi mang ra phơi nắng. Kết quả là ông đã tìm thấy điện áp giữa hai điện cực!
Vào thời điểm đó, người ta chưa biết nguyên lý của hiện tượng này. Họ chỉ biết rằng ánh sáng có thể tạo ra điện thế nên họ gọi hiện tượng này là hiệu ứng quang điện hoặc viết tắt là hiệu ứng quang điện. Các tế bào quang điện ngày nay về cơ bản sử dụng hiệu ứng quang điện, vì vậy chúng còn được gọi là tế bào quang điện mặt trời.
Hiện nay, các tế bào quang điện được sử dụng rộng rãi nhất chủ yếu được làm từ vật liệu bán dẫn như silicon. Vậy người ta sử dụng chất bán dẫn và hiệu ứng quang điện để chế tạo pin mặt trời như thế nào?
Cơ sở của mọi thứ: cấu trúc dải nguyên tử
Nói một cách đơn giản, dải năng lượng đề cập đến các vùng khác nhau mà chúng ta phân chia electron theo năng lượng của chúng. Chúng ta đều biết rằng hạt nhân mang điện tích dương, thu hút các electron mang điện tích âm và các electron càng gần hạt nhân thì liên kết càng bền. Bây giờ nếu chúng ta tách nguyên tử ra, hạt nhân sẽ chìm xuống dưới và các electron sẽ nằm ở trên cùng.
Trong trường hợp này, chúng ta có thể chia các electron thành hai vùng hoạt động: một là vùng gần hạt nhân hơn, nơi các electron bị thu hút chặt chẽ, mà chúng ta gọi là vùng hóa trị. Thứ hai là vùng xa hạt nhân. Các electron ở đây không được điều chỉnh và tương đối tự do. Nếu có một trường điện bên ngoài khiến các electron này chạy, vật liệu sẽ dẫn điện. Chúng tôi gọi vùng này là dải dẫn.
Ngoài hai vùng này, còn có một vùng khác nằm phía trên dải hóa trị và phía dưới dải dẫn, nơi mà electron không được phép tồn tại. Chúng tôi gọi đó là dải cấm.
Cấu trúc dải năng lượng của nguyên tử (Nguồn ảnh: tự chụp của tác giả)
Đây là cấu trúc dải năng lượng nguyên tử cơ bản, nhưng có một số chi tiết chúng ta cần lưu ý: Đầu tiên, dải năng lượng có thể được chia thành các mức năng lượng khác nhau và theo nguyên lý loại trừ Pauli, mỗi mức năng lượng chỉ có thể chứa hai electron. Thứ hai, hầu hết các nguyên tử không có nhiều electron, thậm chí dải hóa trị cũng không đầy, và không có electron nào ở dải dẫn. Hơn nữa, các electron trong dải hóa trị không trung thực. Chúng có thể "đi chệch hướng", tức là vượt qua dải cấm và lao tới dải dẫn. Tất nhiên, chúng ta gọi quá trình này là quá trình chuyển đổi và quá trình chuyển đổi hấp thụ năng lượng.
Xét đến ba chi tiết này, một số độc giả có thể đoán rằng có hai vật liệu hoàn toàn khác nhau trong thế giới tự tỏa nhiệt: một vật liệu có khoảng cách dải rất hẹp hoặc không có khoảng cách dải nào cả, và ở nhiệt độ phòng, các electron ngoài cùng trong dải hóa trị có thể dễ dàng nhảy lên dải dẫn, là một chất dẫn điện. Ngược lại, nếu khoảng cách dải của vật liệu rất rộng, thường lớn hơn ba electron vôn (3eV) và các electron vẫn ở trong dải hóa trị ở nhiệt độ phòng thì vật liệu không thể dẫn điện và đây là chất cách điện.
Cấu trúc dải của các chất rắn khác nhau (Nguồn hình ảnh: Wikipedia)
Chất bán dẫn "hay thay đổi"
Có vật liệu nào có khoảng cách năng lượng giữa dải hóa trị và dải dẫn nhỏ hơn 3eV không? Đúng vậy, đó là chất bán dẫn, thường là vật liệu có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện.
Nhưng giá trị của chất bán dẫn không được phản ánh ở khả năng dẫn điện mà ở khả năng "nhảy sang trái và sang phải". Tính chất dẫn điện của chất bán dẫn có thể dễ dàng thay đổi bởi các yếu tố bên ngoài. Sau này chúng ta sẽ thấy hiệu ứng quang điện làm thay đổi độ dẫn điện của chất bán dẫn như thế nào. Tiếp theo, chúng ta sẽ lấy nguyên tử silicon làm ví dụ để khám phá những bí ẩn bên trong chất bán dẫn.
1. Cấu trúc của chất bán dẫn nội tại
Chất bán dẫn không chứa bất kỳ tạp chất nào, chẳng hạn như silicon nguyên chất và germani nguyên chất, được gọi là chất bán dẫn nội tại. Chúng ta hãy xem xét nguyên tử silicon. Nguyên tử này có 14 electron và cấu hình electron là 2-8-4, với 4 electron ở lớp ngoài cùng. Tính chất của một nguyên tố chủ yếu được xác định bởi các electron ngoài cùng của nó. Các electron ngoài cùng của silicon có xu hướng sau: hoặc tìm thêm bốn electron nữa để tạo thành bốn cặp, hoặc loại bỏ cả bốn electron.
Nguyên tử Silic (Nguồn ảnh: do tác giả thực hiện)
Trong tinh thể silicon, mỗi nguyên tử silicon có một nguyên tử silicon liền kề ở trên, dưới, trái và phải. Silic có bốn electron ở lớp ngoài cùng, do đó nó chia sẻ các electron này với các nguyên tử silic liền kề, do đó mỗi nguyên tử silic có tổng cộng 8 electron ở lớp ngoài cùng. Hoàn hảo!
Liên kết cộng hóa trị tinh thể silic (Nguồn ảnh: do tác giả thực hiện)
2. Cấu trúc của chất bán dẫn tạp chất
Sẽ có gì khác biệt nếu chúng ta pha tạp một số tạp chất vào chất bán dẫn nội tại? Ví dụ, nếu một trong các nguyên tử silic được thay thế bằng một nguyên tử phốt pho, thì nguyên tử phốt pho có 15 electron và sắp xếp theo thứ tự 2-8-5. Có 5 electron ở lớp ngoài cùng. Sau khi có 8 electron cùng với nguyên tử silicon liền kề, vẫn còn một electron thừa. Theo cách này, cứ mỗi nguyên tử phốt pho được thêm vào, sẽ có một electron không có nơi nào để đi, và nếu thêm quá nhiều, một "đội quân electron đơn lẻ" sẽ được hình thành. Chúng tôi gọi các chất bán dẫn như vậy là chất bán dẫn loại N, N (Âm) có nghĩa là các electron mang điện tích âm.
Chất bán dẫn loại N (Nguồn ảnh: do tác giả thực hiện)
Ngược lại, nếu chúng ta thêm các nguyên tử bo, nó sẽ có 5 electron và 3 electron ở lớp ngoài cùng. Nguyên tử Bo và các nguyên tử Si xung quanh chỉ có thể tạo ra 7 electron. Bảy electron này vẫn còn thiếu một electron nữa để tạo thành một cấu trúc ổn định, do đó một "lỗ trống" được tạo ra ở đây. Chúng tôi gọi nó là chất bán dẫn loại P, P (Dương) có nghĩa là lỗ trống có thể tương đương với các hạt tích điện dương.
Chất bán dẫn loại P (Nguồn ảnh: do tác giả thực hiện)
3. Tại sao chất bán dẫn lại dẫn điện?
Như đã nêu ở trên, chất bán dẫn tạp chất có điện tích chuyển động tự do và có khả năng dẫn điện tự nhiên. Vậy các điện tích tự do khiến chất bán dẫn nội tại có tính dẫn điện đến từ đâu?
Trên thực tế, trong điều kiện lý tưởng (tức là độ không tuyệt đối), chất bán dẫn nội tại không thể dẫn điện và tất cả các electron hóa trị đều liên kết với liên kết cộng hóa trị. Tuy nhiên, ứng dụng chung của chất bán dẫn được thực hiện ở nhiệt độ phòng. Lúc này, do chuyển động nhiệt, chất bán dẫn sẽ kích thích nội tại một cặp electron lỗ trống.
Sự kích thích nội tại (Nguồn ảnh: tự chụp của tác giả)
Trong cả hai chất bán dẫn tạp chất, tất nhiên đều có sự kích thích nội tại. Nghĩa là trong chất bán dẫn loại N cũng có lỗ trống, nhưng số lượng của chúng ít hơn số lượng electron tự do. Trong hai loại người vận chuyển này, những người có số lượng nhiều hơn được gọi là người vận chuyển đa số, và những người có số lượng ít hơn được gọi là người vận chuyển thiểu số. Điều ngược lại xảy ra trong chất bán dẫn loại P.
Sự kết hợp của chất bán dẫn loại N và loại P: Tiếp giáp PN với "trường điện tự chứa"
Điều gì xảy ra nếu chúng ta kết nối hai chất bán dẫn không tinh khiết?
Chất bán dẫn loại N có nhiều electron hơn và ít lỗ trống hơn, trong khi chất bán dẫn loại P có nhiều lỗ trống hơn và ít electron hơn. Điều này cũng giống như việc pha trộn hai dung dịch khác nhau. Phần lớn các electron ở phía này muốn chạy sang phía bên kia, và phần lớn các lỗ trống ở phía bên kia muốn chạy sang phía này. Hành vi này được gọi là sự khuếch tán của hạt mang điện đa số, nhưng vấn đề phát sinh ngay từ khi bắt đầu quá trình khuếch tán này. Tôi không biết bạn đã từng chơi trò “Stick Bark” chưa. Hai người cần phải “dính” vào nhau trong một khoảng thời gian nhất định. Khi hết thời gian, người không đoàn kết sẽ bị loại.
Điều tương tự cũng đúng với electron và lỗ trống. Chúng không thể đi xa thay vì đi gần, do đó các hạt tải điện đa số tại điểm nối của hai chất bán dẫn tạp chất thường bị "dính" trực tiếp với nhau. Hãy nhớ rằng cả hai chất bán dẫn của chúng ta đều được pha tạp các nguyên tử và nhìn chung đều trung hòa về điện. Chúng ta chỉ vẽ các electron tự do và lỗ trống trong dải dẫn, và còn có các hạt nhân nguyên tử và các electron lớp vỏ bên trong bên dưới. Bây giờ các electron đã thoát ra hoặc các lỗ trống đã được lấp đầy, hai vùng này sẽ thể hiện các tính chất điện. Chất bán dẫn loại N mất electron sẽ mang điện tích dương, trong khi chất bán dẫn loại P mất lỗ trống sẽ mang điện tích âm. Cấu trúc này được gọi là tiếp giáp PN.
Nghe có vẻ hơi chóng mặt phải không? Sơ đồ sau đây có thể giúp bạn hiểu trực quan về quá trình hình thành mối nối PN.
Tiếp giáp PN (Nguồn ảnh: Wikipedia)
Sau khi tiếp giáp PN được hình thành, hai đầu của nó biểu hiện các tính chất điện khác nhau, do đó hình thành nên một điện trường hướng từ N đến P. Điện trường này được hình thành một cách tự phát, chúng ta có thể gọi nó là điện trường tự tạo. Bây giờ chúng ta hãy xem xét tình hình của những người mang gen thiểu số. Tính chất điện của hạt mang điện thiểu số và hạt mang điện đa số là trái ngược nhau. Vì trường điện tự tạo cản trở sự khuếch tán của các hạt mang điện đa số nên nó thực chất lại thúc đẩy sự di chuyển của các hạt mang điện thiểu số sang phía đối diện. Quá trình này được gọi là sự trôi của hạt mang điện thiểu số. Khi sự khuếch tán của các hạt mang điện đa số và sự trôi dạt của các hạt mang điện thiểu số đạt đến trạng thái cân bằng động, mối nối PN được hình thành ổn định.
Sau khi chuẩn bị từng lớp, chúng ta biết tại sao silicon được gọi là chất bán dẫn và tại sao việc ghép nối hai chất bán dẫn có thể tạo ra một cấu trúc có trường điện riêng - tiếp giáp PN. Quá trình chuẩn bị đã xong, đã đến lúc hiệu ứng quang điện phát huy tác dụng!
Bước quan trọng cuối cùng: chiếu sáng vào mối nối PN
Điều gì sẽ xảy ra khi ánh sáng mặt trời chiếu vào ngã ba PN? Đúng vậy, đó là hiệu ứng quang điện. Vai trò của hiệu ứng quang điện là khiến các electron trong dải hóa trị đã hình thành cặp bị "cám dỗ" một lần nữa và tạo thành cặp electron-lỗ trống một lần nữa. Bản chất là các electron trong dải hóa trị mà chúng ta đã đề cập trước đó hấp thụ năng lượng ánh sáng, năng lượng của chúng trở nên cao hơn và chúng nhảy lên dải dẫn.
Hiệu ứng quang điện (Nguồn ảnh: tự chụp của tác giả)
Các lỗ trống electron này bị ném về cả hai phía dưới tác động của điện trường tự tạo, tạo thành một điện trường hướng từ P tới N. Đây là điện trường quang sinh và hướng của nó ngược với điện trường tự tạo. Lúc này, một mạch điện ngoài được kết nối và do có sự chênh lệch điện thế nên dòng điện được tạo ra trong mạch! Đến thời điểm này, chúng ta đã hoàn thành nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện thông qua hiệu ứng quang điện và chất bán dẫn.
Bên trong một tế bào quang điện (Nguồn ảnh: tự chụp của tác giả)
Tế bào quang điện đã trải qua gần một trăm năm phát triển và các tế bào quang điện bán dẫn vô cơ được liệt kê trong bài viết này là loại trưởng thành nhất. Ngoài ra, còn có một số tế bào quang điện dựa trên vật liệu bán dẫn hữu cơ, chẳng hạn như tế bào quang điện nhạy sáng với thuốc nhuộm và một số tế bào quang điện perovskite. Dù là hữu cơ hay vô cơ, các nguyên tắc cơ bản của các tế bào quang điện này không thể tách rời khỏi các lý thuyết liên quan đến chất bán dẫn mà chúng tôi đã giới thiệu.
Mặc dù các tế bào quang điện dựa trên các lý thuyết và vật liệu này vẫn chưa đạt đến giới hạn của chúng, nhưng hiệu suất chuyển đổi lý thuyết tổng thể chỉ đạt 30% và hiệu suất chuyển đổi thực tế khó có thể đạt được giá trị lý thuyết. Một số nhà nghiên cứu đã bắt đầu khám phá các tế bào quang điện dựa trên các nguyên lý hoạt động mới, chẳng hạn như tế bào quang điện có chất mang, tế bào quang điện không có tạp chất, v.v. Họ hy vọng sẽ tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện lên 60% hoặc thậm chí cao hơn. Chúng tôi luôn có niềm tin lớn vào ngành công nghiệp quang điện, hiện vẫn đang trong giai đoạn đầu. Đây có thể là lựa chọn quan trọng giúp nhân loại giải quyết vấn đề năng lượng trong tương lai.
Tài liệu tham khảo:
[1] Hoàng Hải Bân và cộng sự. Vật lý quang điện và công nghệ pin mặt trời[M]. Bắc Kinh: Nhà xuất bản Khoa học, 2019
