Trong bài viết dưới đây, Ngoaingufpt sẽ cung cấp cho bạn đọc những thông tin liên quan đến Xesi Được Dùng Làm Tế Bào Quang Điện. Mời bạn đọc cùng theo dõi!
Giới thiệu về Xesi
Xesi là một nguyên tố hóa học có ký hiệu Cs và số nguyên tử bằng 55. Nó là một kim loại kiềm mềm, màu bạc, và có điểm nóng chảy là 28 °C (83 °F), khiến cho nó trở thành một trong các kim loại ở dạng lỏng tại hay gần nhiệt độ phòng.
Xesi có tính chất vật lý và hóa học giống với rubidi, kali; là kim loại hoạt động mạnh, có khả năng tự cháy, phản ứng với nước thậm chí ở nhiệt độ −116 °C (−177 °F). Nó là nguyên tố có độ âm điện thấp thứ hai sau franci, và chỉ có một đồng vị bền là xesi-133.
Xesi được khai thác trong mỏ chủ yếu từ khoáng chất pollucit, trong khi các đồng vị phóng xạ khác, đặc biệt là xesi-137 – một sản phẩm phân hạch hạt nhân, được tách ra từ chất thải của các lò phản ứng hạt nhân. Nhà hóa học người Đức Robert Bunsen và nhà vật lý học Gustav Kirchhoff đã phát hiện ra xesi năm 1860 bằng một phương pháp mới được phát triển là “quang phổ phát xạ nung bằng ngọn lửa”.
Một trong những ứng dụng quan trọng của xesi là làm tế bào quang điện (solar cell), là các thiết bị điện được làm từ silicon dạng tinh thể, gồm có hai lớp: một cực âm và một cực dương dùng để tạo ra điện trường. Tế bào quang điện hoạt động để tạo ra dòng điện trực tiếp từ ánh nắng của mặt trời. Tế bào này khác với tế bào nhiệt mặt trời (PVT) có trong các máy nước nóng năng lượng mặt trời.
Cấu tạo của tế bào quang điện
Tế bào quang điện được chế tạo từ silicon đơn tinh thể hoặc đa tinh thể. Silicon là một phần tử bán dẫn, có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời cao và chuyển đổi thành điện năng với hiệu suất tốt. Hiện nay, những tấm pin năng lượng mặt trời “ưu tú”, có hiệu suất tốt bậc nhất được sử dụng trong các dự án dân dụng chỉ có thể chuyển hóa được khoảng 20% ánh sáng mặt trời mà chúng nhận được biến đổi thành điện năng.
Một tế bào quang điện gồm hai lớp silicon: lớp P và lớp N. Lớp P được pha trộn với các nguyên tố như boron, có hàm lượng electron thấp hơn silicon, tạo ra các khoang trống (hole) trong cấu trúc tinh thể. Lớp N được pha trộn với các nguyên tố như phosphorus, có hàm lượng electron cao hơn silicon, tạo ra các electron tự do trong cấu trúc tinh thể. Khi hai lớp này được đặt chung với nhau, tạo ra một khớp nối P-N, các electron từ lớp N sẽ chuyển sang lớp P, và các khoang trống từ lớp P sẽ chuyển sang lớp N, tạo ra một điện trường giữa hai lớp. Điện trường này ngăn cản sự di chuyển của các electron và khoang trống giữa hai lớp.
Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào tế bào quang điện, năng lượng của ánh sáng sẽ kích thích các electron trong silicon, giúp chúng vượt qua điện trường và di chuyển từ lớp N sang lớp P. Điều này tạo ra một dòng điện trong mạch nối với tế bào quang điện. Càng nhiều ánh sáng chiếu vào, càng nhiều electron được kích thích và càng nhiều dòng điện được tạo ra.
Để tăng hiệu suất của tế bào quang điện, người ta thường phủ một lớp chống phản quang (anti-reflective coating) lên bề mặt của tế bào, để giảm thiểu sự phản xạ của ánh sáng và tăng khả năng hấp thụ của silicon. Ngoài ra, người ta cũng đặt các tiếp điểm điện (electrical contact) ở hai bên của tế bào, để thu thập và dẫn dòng điện từ tế bào quang điện đến các thiết bị tiêu thụ.
Một bảng quang điện (solar panel) bao gồm một nhóm các tế bào quang điện được kết nối theo mạch nối tiếp; để tăng điện áp đầu ra; trong khi kết nối một số mạng song song để tăng dòng điện có khả năng cung cấp cho thiết bị. Loại dòng điện nó cung cấp là dòng điện trực tiếp.
Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện
Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện dựa trên hiệu ứng quang điện (photoelectric effect), là hiện tượng vật chất phóng ra các electron khi bị chiếu sáng. Hiệu ứng quang điện được Albert Einstein giải thích vào năm 1905, và ông đã nhận được giải Nobel vật lý năm 1921 cho công trình này.
Theo Einstein, ánh sáng không phải là một dòng liên tục của năng lượng, mà là gồm các hạt rời rạc gọi là photon. Mỗi photon có một năng lượng nhất định, phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng. Khi photon va chạm với một electron trong vật chất, nó sẽ truyền năng lượng cho electron. Nếu năng lượng của photon đủ lớn để vượt qua năng lượng liên kết của electron với vật chất, electron sẽ thoát ra khỏi vật chất và trở thành electron tự do.
Trong tế bào quang điện, silicon là vật chất bán dẫn có năng lượng liên kết của electron với nguyên tử là năng lượng công việc (work function). Năng lượng công việc của silicon là khoảng 4.8 eV (electron volt). Điều này có nghĩa là chỉ có các photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng 4.8 eV mới có thể kích thích các electron trong silicon. Các photon có năng lượng nhỏ hơn sẽ không có tác dụng gì, hoặc chỉ làm nóng lên tế bào quang điện.
Bước sóng của ánh sáng có liên quan đến năng lượng của photon theo công thức:
Trong đó, E là năng lượng của photon, h là hằng số Planck, c là vận tốc ánh sáng, và λ là bước sóng của ánh sáng. Từ công thức này, ta có thể tính được bước sóng tối đa của ánh sáng mà tế bào quang điện có thể hấp thụ được:
Điều này cho thấy rằng tế bào quang điện chỉ có thể hấp thụ được ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng 258 nm, tức là ánh sáng cực tím (ultraviolet) và một phần ánh sáng tím (violet). Các ánh sáng có bước sóng lớn hơn, như ánh sáng xanh (blue), xanh lá (green), vàng (yellow), đỏ (red) hay hồng ngoại (infrared) sẽ không được hấp thụ hoặc chỉ gây ra hiệu ứng nhiệt.
Để khắc phục nhược điểm này, người ta đã nghiên cứu và phát triển các loại tế bào quang điện sử dụng các vật liệu khác nhau, có năng lượng công việc khác nhau, để có thể hấp thụ được nhiều bước sóng ánh sáng hơn. Một trong những vật liệu mới được sử dụng là xesi.
Xesi là một kim loại kiềm có năng lượng công việc rất thấp, chỉ khoảng 2.1 eV. Điều này có nghĩa là xesi có thể kích thích các electron bởi các photon có năng lượng từ 2.1 eV trở lên, tức là ánh sáng có bước sóng từ 590 nm trở xuống. Điều này bao gồm cả ánh sáng cực tím, tím, xanh, và một phần ánh sáng vàng và đỏ. Do đó, xesi có khả năng hấp thụ được nhiều ánh sáng mặt trời hơn silicon.
Tuy nhiên, xesi cũng có một số nhược điểm khi được dùng làm tế bào quang điện. Một là xesi rất dễ cháy khi tiếp xúc với không khí hay nước, do đó cần phải được bảo quản và chế tạo trong môi trường không khí hoặc chân không. Hai là xesi rất đắt đỏ và hiếm, do đó chi phí sản xuất tế bào quang điện từ xesi rất cao. Ba là xesi cũng rất mềm và dễ biến dạng, do đó cần phải được kết hợp với các vật liệu khác để tăng cường độ cứng và độ bền của tế bào quang điện.
Một trong những cách để khắc phục những nhược điểm này là sử dụng xesi dưới dạng hợp chất với các nguyên tố khác, như xesi iodua (CsI) hay xesi bromua (CsBr). Các hợp chất này có năng lượng công việc thấp hơn xesi nguyên chất, chỉ khoảng 1.7 eV, và có tính chất vật lý và hóa học ổn định hơn. Các hợp chất này cũng có thể được phủ lên bề mặt của các tế bào quang điện silicon, để tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của chúng.
Ứng dụng của tế bào quang điện
Tế bào quang điện có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, như:
- Sản xuất năng lượng tái tạo: Tế bào quang điện là một trong những nguồn năng lượng tái tạo, sạch và bền vững, không gây ra ô nhiễm hay khí nhà kính. Tế bào quang điện có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các hộ gia đình, các doanh nghiệp, hay các cơ sở công cộng. Tế bào quang điện cũng có thể được lắp đặt trên các mái nhà, các tường, hay các vật dụng khác, để tận dụng không gian và ánh sáng mặt trời.
- Không gian và hàng không: Tế bào quang điện là nguồn năng lượng chính cho các vệ tinh, các tàu vũ trụ, hay các máy bay không người lái. Tế bào quang điện giúp cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử và truyền thông trên các phương tiện này. Tế bào quang điện cũng giúp giảm trọng lượng và chi phí của các phương tiện này.
- Điện tử tiêu dùng: Tế bào quang điện được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử tiêu dùng, như máy tính xách tay, điện thoại di động, máy tính bảng, máy ảnh số, đồng hồ thông minh, hay đèn pin. Tế bào quang điện giúp tiết kiệm pin và gia tăng tuổi thọ của các thiết bị này.
- Nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản: Tế bào quang điện được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị và máy móc trong nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản, như máy bơm nước, máy phun thuốc, máy ủ phân, hay máy theo dõi môi trường. Tế bào quang điện giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm chi phí sản xuất.
Kết luận
Tế bào quang điện là một thiết bị điện có khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện trực tiếp.
Trên đây là những thông tin giải đáp . Ngoaingufpt hi vọng bài viết này hữu ích với bạn!
