- 102/39 Phan Huy Ích, Phường 15, Q. Tân Bình, TP. HCM
- 0934 033 083
- T2 - CN: 7h45 - 17h
Pin năng lượng mặt trời là một thiết bị có khả năng chuyển đổi ánh nắng thành dòng điện. Nguyên lý pin mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện. Pin năng lượng mặt trời được cấu tạo từ nhiều tế bào quang điện, chúng cung cấp dòng điện một chiều (DC) giống như ắc quy điện, chỉ khác là điện áp của ắc quy thì không đổi, còn pin mặt trời có thay đổi điện áp.
Hãy cùng tôi tìm hiểu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời với bài viết ngay sau đây:
Mục lục
Phần lớn các tế bào PV được chế tạo bằng cách sử dụng silicon tinh thể bao gồm một lớp chất bán dẫn n-type. Đây là lớp đầu tiên (trên cùng), gọi là lớp phát xạ. Lớp thứ hai là lớp bán dẫn p-type được gọi là lớp nền. Hai lớp này được kẹp lại và do đó cứ sự hình thành mối nối p-n giữa chúng. Bề mặt của tế bào được phủ một lớp chống phản xạ để tránh làm mất lượng ánh sáng mặt trời khi chiếu vào.
Ngay khi các tế bào quang điện tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, các hạt photon sẽ bị hấp thụ bởi các vật liệu bán dẫn. Từ đó hiện tượng quang-điện xảy ra và các electron được giải phóng chuyển động tự do và tạo ra dòng điện một chiều. Dòng điện DC này sẽ được chuyển đổi thành dòng xoay chiều AC thông qua biến tần năng lượng mặt trời để tương thích với các thiết bị điện gia dụng hiện nay.
Các tế bào solar được làm bằng vật liệu đặc biệt gọi là chất bán dẫn silicon. Một nguyên tử silicon có 14 electron, được sắp xếp thành 3 lớp khác nhau. Lớp vỏ bọc bên ngoài có 4 electron, vì vậy một nguyên tử silicon sẽ luôn tìm cách để lấp đầy lớp vỏ cuối cùng của nó và để làm điều này, nó sẽ chia sẻ các electron với 4 nguyên tử gần nó.
Ngày nay, người sản xuất sử dụng phốt pho (với 5 electron ở lớp vỏ ngoài). Do đó, khi nó kết hợp với silicon, có một electron sẽ vẫn tự do. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào nguyên tử silicon tinh khiết, nó có thể khiến một vài electron phá vỡ liên kết và rời khỏi nguyên tử. Chúng được gọi là phần tử tải tự do, chúng di chuyển ngẫu nhiên xung quanh mạng tinh thể tìm kiếm các lỗ trống để “chui” vào và mang theo một dòng điện.
Tuy nhiên, chúng rất ít và không hữu ích cho lắm. Nhưng silicon không tinh khiết kết hợp với nguyên tử phốt pho thì lại tốn ít năng lượng hơn để đánh bật các electron vì chúng không bị liên kết với bất kỳ nguyên tử nào lân cận. Kết quả là, chúng ta có nhiều phần tử tải tự do hơn so với silicon tinh khiết và hình thành silicon n-type.
Phần khác của tế bào PV được pha tạp với nguyên tố Bo (có 3 electron ở lớp vỏ ngoài) để trở thành silicon p-type. Bây giờ, khi hai loại silicon này tương tác với nhau, một điện trường được hình thành tại điểm nối ngăn không cho nhiều electron di chuyển sang phía p. Khi các hạt photon (ánh sáng mặt trời) chạm vào bề mặt pin năng lượng mặt trời, chúng sẽ phá vỡ các cặp electron và lỗ trống. Mỗi photon có đủ một mức năng lượng để giải phóng được một electron tương ứng. Nếu điều này xảy ra đủ gần với điện trường sẽ gây ra sự gián đoạn tính trung hòa điện và nếu chúng ta cung ấp một đường dẫn (mạch điện) các electron sẽ chạy qua phía p để hợp nhất với các lỗ trống. Những electron “chạy” này sẽ tạo ra dòng điện.
Như chúng ta đã biết rằng photon là một dòng các hạt ánh sáng và quá trình hiệu ứng quang-điện sẽ phụ thuộc vào số lượng photon chiếu vào bề mặt trái đất. Vào một ngày khí hậu đẹp trời, sẽ có khoảng 4,4×1017 hạt photon “đáp xuống” 1 cm2 bề mặt trái đất mỗi giây. Chỉ một số photon có năng lượng vượt quá năng lượng vùng cấm thì mới có thể chuyển đổi thành điện bằng pin năng lượng mặt trời. Khi photon này đi vào chất bán dẫn, nó có thể bị hấp thụ và đẩy một electron vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra một lỗ trống điện tử trong vùng hóa trị. Sau đó, electron trong vùng dẫn và lỗ trống điện tử trong vùng hóa trị sẽ kết hợp với nhau và tạo thành một cặp electron-lỗ điện tử (electron-hole pair).
Do đó, khi chúng ta kết nối các lớp p và n này với mạch ngoài, các electron sẽ chuyển từ lớp n sang lớp p, và khi đó dòng điện được tạo ra.
Ở bài viết này tôi chỉ đề cập đến các loại pin mặt trời chế tạo dựa trên silicon. Tùy thuộc vào cấu trúc tinh thể sẽ có 3 loại như sau:
Tế bào silicon đơn tinh thể được sản xuất từ silicon tinh khiết (tinh thể Mono). Vì silicon tinh thể Mono là hoàn toàn tinh khiết và không lẫn tạp chất, nên hiệu quả của tế bào này cao hơn các loại khác. Hiệu quả của tấm pin năng lượng mặt trời Mono là khoảng 14-17%.
Tế bào silicon đa tinh thể (tinh thể Poly) sử dụng silicon lỏng làm nguyên liệu. Vì silicon đa tinh thể trải qua quá trình đúc (hóa rắn) nên các khối sẽ có mức độ tinh thể khác nhau. Do đó, hiệu quả của loại tế bào này kém hơn Mono. Hiệu quả của pin năng lượng Poly dao động khoảng 13-15%.
Các tế bào silicon vô định hình được phát triển bằng cách “phun” lớp màng silicon lên một bề mặt định hình nào đó như tấm thủy tinh chẳng hạn. Độ dày của lớp màng silicon này nhỏ hơn 1µm (0,001 mm). Hiệu quả của loại tấm pin này là khoảng 5-7%.
Đọc thêm: Chi tiết về ưu, nhược điểm của các loại tấm pin năng lượng mặt trời
Một hệ thống năng lượng mặt trời là sự kết nối của nhiều tấm pin mặt trời để sản xuất năng lượng hiệu quả. Mỗi một tấm pin được cấu tạo từ nhiều tế bào quang điện liên kết với nhau, được đóng gói vào một bộ khung nhôm hình chữ nhật và tấm kính cường lực để bảo vệ tránh khỏi các tác nhân gây hại của môi trường. Diện tích tấm pin năng lượng mặt trời càng lớn sẽ có thể tạo ra nhiều điện năng hơn.
