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

Vật liệu quang điện thường 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% khí cụ bay dùng pin Mặt Trời để cấp động lực. Công suất của các pin có thể từ vài wat đến hạng vạn wat. 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 2cm x 2cm, công suất 830 wat, hiệu suất chuyển đổi quang điện 12 - 14%, trong đó có một khối pin chế tạo bằng vật liệu gali asenua 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 photpho, lớp điện tử ngoài cùng của nguyên tử photpho có 5 điện tử, nhiều hơn ở nguyên tử bán dẫn silic 1 điện tử. Khi nhiệt độ của tinh thể tăng cao hoặc khi bị chiếu sáng thì điện tử nhiều hơn này sẽ nhận năng lượng và thoát ly khỏi nguyên tử photpho trở thành điện tử 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 điện tử ngoài cùng có 3 điện tử, ít hơn ở nguyên tử silic 1 điện tử. 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 điện tử tự do.

Loại chất bán dẫn hoạt động phụ thuộc điện tử tự do được gọi là "bán dẫn loại n" còn chất bán dẫn hoạt động theo phương thức lỗ trống được gọi là "chất bán dẫn loại p" Nếu người ta xen vào giữa hai chất bán dẫn một lớp rất mỏng thế nào cho ở một bên của lớp mỏng là chất 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 quang tử (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 điện tử tự do trong chất bán dẫn loại n sẽ nhận năng lượng tạo thành các điện tử tự do tích điện âm, còn lỗ trống trong chất 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 điện tử, 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.