Xesi Được Dùng Làm Tế Bào Quang Điện là gì? Trong bài viết này, hãy cùng Huấn luyện an toàn lao động tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các tế bào quang điện dựa trên xesi.
Xesi là gì? Xesi Được Dùng Làm Tế Bào Quang Điện ?
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 những đặc điểm quan trọng do tính quang điện của nó, theo đó năng lượng ánh sáng được chuyển thành dòng điện.
Nó được dùng trong các tế bào quang điện do các ca-tốt gốc xesi như hợp chất kim loại K2CsSb, có ngưỡng điện thế thấp để phát ra electron.
Cấu tạo của tế bào quang điện
Tế bào quang điện hay còn được gọi là pin quang điện (PV) là các phần tử bán dẫn 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.
Một bảng quang điện 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.
Một tế bào quang điện gồm hai lớp silicon, một lớp có tính P (positive) và một lớp có tính N (negative). Lớp P được pha tạp với các nguyên tố như boron, có ít electron hơn silicon. Lớp N được pha tạp với các nguyên tố như phosphorus, có nhiều electron hơn silicon.
Khi hai lớp này được ghép lại, sẽ hình thành một ranh giới gọi là khớp PN (PN junction), nơi có sự chuyển dịch của electron giữa hai lớp. Các electron từ lớp N sẽ di chuyển sang lớp P, và ngược lại, cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng. Khi đó, sẽ xuất hiện một điện áp giữa hai lớp, gọi là thế cản (barrier potential), ngăn không cho các electron di chuyển qua lại.
Khi ánh sáng chiếu vào tế bào quang điện, các photon có năng lượng đủ lớn sẽ va chạm với các electron trong silicon và giải phóng chúng khỏi liên kết nguyên tử. Các electron này sẽ di chuyển theo hướng của thế cản và tạo ra dòng điện. Để thu thập và dẫn dòng điện này, các tiếp điểm kim loại được đặt ở hai mặt của tế bào quang điện. Các tiếp điểm này được kết nối với các dây dẫn để truyền dòng điện đến tải hoặc tiêu thụ.
Trong các tế bào quang điện dựa trên xesi, lớp P được thay thế bằng một lớp ca-tốt gốc xesi, như K2CsSb. Lớp này có ngưỡng điện thế thấp để phát ra electron khi bị chiếu sáng. Lớp N vẫn là silicon pha tạp. Các tế bào quang điện này có hiệu suất cao hơn so với các tế bào quang điện silicon thông thường, do khả năng hấp thụ ánh sáng và phát ra electron của xesi.
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 một vật chất phát ra electron khi bị chiếu sáng. Hiệu ứng này được Albert Einstein giải thích 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 một chuỗi các hạt nhỏ gọi là photon. Mỗi photon có một năng lượng nhất định, phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng. Khi một photon va chạm với một electron trong một 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 nguyên tử, electron sẽ bị giải phóng và trở thành một electron tự do. Năng lượng tối thiểu cần thiết để giải phóng một electron gọi là hàm công (work function) của vật chất.
Trong các tế bào quang điện, các photon có bước sóng trong khoảng từ cực tím đến hồng ngoại sẽ có năng lượng đủ để giải phóng các electron trong silicon và xesi. Các photon có bước sóng ngắn hơn (ví dụ như tia X) sẽ có năng lượng quá lớn và gây hại cho cấu trúc của tế bào quang điện. Các photon có bước sóng dài hơn (ví dụ như sóng vô tuyến) sẽ có năng lượng quá nhỏ và không thể giải phóng các electron.
Khi các electron được giải phóng, chúng sẽ di chuyển theo hướng của thế cản giữa hai lớp P và N. Điều này tạo ra một dòng điện trực tiếp trong tế bào quang điện. Để đo được dòng điện này, ta cần kết nối hai tiếp điểm kim loại ở hai mặt của tế bào quang điện với một thiết bị tiêu thụ hoặc lưu trữ điện năng, ví dụ như một đèn LED hay một ắc quy. Khi ánh sáng chiếu vào tế bào quang điện, dòng điện sẽ chảy qua thiết bị và cung cấp năng lượng cho nó.
Ứng dụng của tế bào quang điện
Tế bào quang điện có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, như:
- Năng lượng tái tạo:
Tế bào quang điện là một nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường và bền vững. Chúng có thể chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng mà không gây ra khí thải nhà kính hay ô nhiễm. Tế bào quang điện được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các nhà, công trình, trường học, bệnh viện, nhà máy và các thiết bị khác. Tế bào quang điện cũng có thể kết hợp với các nguồn năng lượng khác, như gió, nước, sinh khối hay pin lưu trữ để tạo ra một hệ thống năng lượng đa dạng và linh hoạt.
- Không gian:
Tế bào quang điện là nguồn năng lượng chính cho các vệ tinh, tàu vũ trụ, trạm không gian và các thiết bị khám phá không gian. Chúng có thể hoạt động ở các điều kiện khắc nghiệt của không gian, như nhiệt độ cao, áp suất thấp, bức xạ và va chạm. Tế bào quang điện cũng giúp giảm trọng lượng và chi phí của các phương tiện không gian.
- Giao thông:
Tế bào quang điện được dùng để cung cấp năng lượng cho các phương tiện giao thông, như xe hơi, xe đạp, xe buýt, tàu hỏa và tàu thủy. Chúng giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường. Tế bào quang điện cũng được dùng để cấp điện cho các thiết bị an toàn giao thông, như đèn giao thông, biển báo, camera và cảm biến.
- Nông nghiệp:
Tế bào quang điện được dùng để cung cấp năng lượng cho các hoạt động nông nghiệp, như tưới tiêu, sưởi ấm, chiếu sáng và chế biến. Chúng cũng được dùng để cải thiện chất lượng và năng suất của các cây trồng, ví dụ như sử dụng ánh sáng mặt trời để kích thích quang hợp hay sử dụng ánh sáng LED để điều chỉnh chu kỳ sinh trưởng.
- Y tế:
Tế bào quang điện được dùng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị y tế, như máy xét nghiệm, máy siêu âm, máy thở và máy phẫu thuật. Chúng cũng được dùng để chữa trị một số bệnh lý, ví dụ như sử dụng ánh sáng mặt trời để diệt khuẩn hay sử dụng ánh sáng laser để kích thích tái tạo mô.
Tế bào quang điện là một công nghệ tiên tiến và hữu ích trong cuộc sống hiện đại. Xesi là một nguyên tố quan trọng trong việc sản xuất các tế bào quang điện có hiệu suất cao. Huấn luyện an toàn lao động hi vọng những thông tin trên đã giúp bạn hiểu hơn về ứng dụng Xesi Được Dùng Làm Tế Bào Quang Điện.
