Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là
thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh
sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi
này gọi là hiệu ứng quang điện.
Các pin năng lượng mặt trời có nhiều
ứng dụng. Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng
lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy
tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước... Pin
năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt
trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ
chuyển đổi của mạng lưới điện.
Lịch sửHiệu
ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp
Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng
mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen
một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%,
Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm
1946. Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả
năng cảm nhận ánh sáng của pin.
Nền tảngĐể
tìm hiểu về pin mặt trời, thì cần một ít lý thuyết nền tảng về vật lý
chất bán dẫn. Để đơn giản, miêu tả sau đây chỉ giới hạn hoạt động của
một pin năng lượng tinh thể silic.
Silic thuộc nhóm IV, tức là có
4 electron lớp ngoài cùng. Silic có thể kết hợp với silicon khác để tạo
nên chất rắn. Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, đa thù hình (không có
trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy
không gian 3 chiều). Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng đa tinh
thể silicon.
Silic là chất bán dẫn. Tức là thể rắn silic, tại một
tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và một số tầng
năng lượng khác thì không được. Các tầng năng lượng không được phép này
xem là tầng trống. Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử.
Ở
nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém. Trong cơ học
lượng tử, giải thích thất tế tại mức năng lượng Fermi trong tầng trống.
Để tạo ra silic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ
các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học. Các nguyên tử
này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết
với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là một silic. Tuy nhiên
các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5
electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư
electron còn có chỗ thì thiếu electron. Vì thế các electron thừa hay
thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng
tinh thể. Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể. Silic kết
hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p
bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi
phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi là bán dẫn n
vì mang năng lượng âm (negative). Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng
lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán
dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại
p.
Vật liệu và hiệu suấtNhiều lọai vật liệu khác nhau được thử nghiệm cho pin mặt trời. Và hai tiêu chuẩn, hiệu suất và giá cả.
Hiệu
suất là tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời. Vào buổi trưa
một ngày trời trong, ánh mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m². trong đó
10% hiệu suất của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W. hiệu
suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ silic không
thù hình, và có thể lên đến 30% hay cao hơn nữa, sử dụng pin có nhiều
mối nối nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.
Có nhiều cách để nói
đến giá cả của hệ thống tạo điện, là tính toán cụ thể trên từng kilo
Watt giờ (kWh). Hiệu suất của pin mặt trời kết hợp với sự bức xạ là 1
yếu tố quyết định trong giá thành. Nói chung hiệu suất của toàn hệ thống
là tầm quan trọng của nó. Để tạo nên ứng dụng thực sự của pin tích hợp
năng lượng, điện năng tạo nên nối với mạng lưới điện sử dụng inverter;
trong các phương tiện di chuyển, hệ thống ắc quy sử dụng để lưu trữ
nguồn năng lượng không sử dụng hiện tại. Các pin năng lượng thương mại
và hệ thống công nghệ có hiệu suất từ 5% đến 15%. Giá của điện từ 50
Eurocent/kWh (Trung Âu) xuống tới 25 eurocent/kWh trong vùng có ánh mặt
trời nhiều.
Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt
trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể. Pin mặt trời
từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
* Một tinh thể hay
đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh
thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất mắc tiền do được cắt
từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối
các module.
* Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung
chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các
đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo
thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho
hiệu suất thấp của nó.
* Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ
silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể, Loại này thường có hiệu suất
thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải
cắt từ thỏi silicon.
Công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các lọai trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module.
Sự chuyển đổi ánh sángKhi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:
1. Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi
năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên
mức năng lượng cao hơn.
2. Năng lượng của photon được hấp thụ bởi
silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng
lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn.
Khi photon được
hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng
tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được
kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi
electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự
do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó
gọi là "lỗ trống". Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của
nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào "lỗ trống", và điều này tạo ra
lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống". Cứ tiếp tục như vậy "lỗ
trống" di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.
Một photon chỉ cần có
năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng
dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì
thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy
nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt
nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được.
Comments[ 0 ]
Đăng nhận xét