Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng

Pin năng lượng mặt trời hay tên gọi ngắn gọn hơn là pin mặt trời (pin quang điện) là một thiết bị điện tử chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành dòng điện một chiều (AC). Ánh sáng chiếu vào tấm pin năng lượng mặt trời sinh ra cả cường độ dòng điện lẫn điện áp để từ đó tạo thành năng lượng điện. Quá trình này đòi hỏi các vật liệu có thể hấp thụ ánh sáng và làm tăng electron lên trạng thái năng lượng cao hơn và sự di chuyển các electron này từ pin quang điện sang mạch ngoài. Sau đó, electron sẽ tiêu tán năng lượng của nó ở mạch ngoài và quay trở lại các tế bào quang điện.

Rất nhiều các loại vật liệu, quy trình phản ứng và công nghệ pin năng lượng mặt trời khác nhau được nghiên cứu, nhưng trong thực tế gần như tất cả các công nghệ chuyển đổi quang-điện đều dựa trên việc sử dụng vật liệu bán dẫn ở trạng thái tiếp giáp P-N. Để cho các bạn có cái nhìn chi tiết hơn về pin mặt trời, bài viết hôm nay tôi sẽ chia sẻ với các bạn gần như tất cả các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng.

I. Giới thiệu chung

Trái Đất là hành tinh nhận được một nguồn cung cấp năng lượng mặt trời đáng kinh ngạc. Mặt trời là một thiên thể tự phát sáng, là một lò phản ứng nhiệt hạch đã cháy suốt hơn 4 tỷ năm. Một phút phản ứng của nó có thể cung cấp cho nhu cầu năng lượng của toàn thế giới trong suốt cả năm. Trong một ngày, nó cung cấp nhiều hơn số năng lượng mà tổng dân số hiện tại của chúng ta sẽ tiêu thụ trong suốt 27 năm. Trên thực tế, lượng bức xạ mặt trời chiếu vào trái đất trong khoảng 3 ngày sẽ tương đương với năng lượng được lưu trữ trong tất cả các nguồn năng lượng từ hóa thạch. Năng lượng mặt trời là một nguồn tài nguyên miễn phí và vô tận, nhưng khai thác nó như thế nào đang là những vấn đề và ý tưởng tương đối mới của con người.

Các tấm pin năng lượng mặt trời thực tế đầu tiên được tạo ra cách đây khoảng 30 năm, chúng ta đã đi được một chặng đường phát triển tương đối dài. Từ những nhà máy phát điện năng lượng mặt trời quy mô lớn và phức tạp, với sự phát triển mạnh mẽ của các công ty chuyên về năng lượng mặt trời, giờ đây đã có thể thiết kế các hệ thống năng lượng mặt trời riêng biệt nhỏ lẻ và cụ thể cho từng hộ gia đình.

Bước nhảy vọt lớn nhất về hiệu quả của ngành công nghiệp điện năng lượng mặt trời là sự ra đời của công nghệ bán dẫn. Với khá nhiều những lợi thế của năng lượng mặt trời đã khiến nó trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo hứa hẹn nhất hiện nay và trong tương lai gần. Nó không gây ô nhiễm môi trường không khí, không gây ô nhiễm tiếng ồn (không sử dụng động cơ chuyển động), cần ít bảo trì, tuổi thọ cực kỳ lâu (20 – 30 năm) và chi phí vận hành cực kỳ thấp. Một điều đặc biệt là có thể áp dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời ở tất cả các quy mô từ nhỏ đến lớn.

Vùng sâu vùng xa có thể dễ dàng sản xuất nguồn cung cấp điện của riêng mình bằng cách xây dựng hệ thống điện mặt trời nhỏ hoặc lớn nếu cần thiết. Máy phát điện năng lượng mặt trời cho gia đình, trường học, doanh nghiệp… đều có thể được áp dụng lắp đặt dễ dàng trên mái nhà hoặc đất trống, hoạt động cực kỳ an toàn và yên tĩnh. Ngành năng lượng mặt trời đang cực kỳ triển vọng, khi mà cộng đồng con người phát triển và ý thức nhiều hơn về vấn đề môi trường trong tương lai.

Các quốc gia phát triển đang tìm các giải pháp thúc đẩy, khuyến khích người dân xây dựng các hệ thống điện năng lượng mặt trời nhỏ lẻ, phi tập trung để tự cung cấp cho nhu cầu của chính mình, thay vì phải hoang phí vào các khoản đầu tư đường dây điện đắt tiền, đặc biệt là những nơi vùng sâu vùng xa, nơi mà việc kết nối và dẫn điện lưới là không khả thi. Hiện tại, đang tồn tại hai nhược điểm chính khi tận dụng năng lượng mặt trời là lượng ánh nắng mặt trời và chi phí đầu tư thiết bị ban đầu. Lượng ánh sáng mặt trời là một yếu tố có sự thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào vị trí địa lý, thời gian trong ngày, các mùa khí hậu và thời tiết thay đổi thất thường như mây mưa, bão…

Pin mặt trời hay pin quang điện là một thiết bị điện chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện, là một hiện tượng vật lý và hóa học. Pin năng lượng mặt trời được mô tả là có thể quang điện với bất kỳ nguồn ánh sáng nào, kể cả ánh sáng mặt trời hay ánh sáng nhân tạo (hiệu suất cực thấp). Chúng được sử dụng như một máy dò ảnh (ví dụ như máy dò hồng ngoại), phát hiện ánh sáng hoặc bức xạ điện từ khác gần phạm vi nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng.

Hoạt động của tế bào quang điện (PV) đòi hỏi 3 thuộc tính cơ bản sau:

  • Sự hấp thụ ánh sáng, tạo ra các cặp electron-lỗ trống.
  • Sự phân tách các hạt mang điện của các loại vật liệu trái ngược nhau.
  • Việc tách các sóng mang điện đó ra một mạch ngoài.

II. Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng

Pin năng lượng mặt trời thường được đặt tên theo vật liệu bán dẫn dùng để cấu tạo nên chúng. Những vật liệu này phải có những đặc điểm nhất định để hấp thụ ánh sáng mặt trời. Một số tế bào được thiết kế để tối ưu khả năng xử lý ánh sáng mặt trời chiếu đến bề mặt trái đất, trong khi đó một số khác lại được tối ưu hóa để tiết kiệm không gian. Pin mặt trời chỉ có thể được tạo thành từ một lớp vật liệu hấp thụ ánh sáng (mối nối đơn) hoặc sử dụng nhiều cấu hình vật lý (đa mối nối) để tận dụng các cơ chế phân tách và hấp thụ điện tích khác nhau.

Pin quang điện có thể được phân loại thành các tế bào theo thế hệ thứ nhất, thứ hai và thứ ba. Các tế bào thế hệ đầu tiên – còn được gọi là tế bào thông thường được làm bằng silicon tinh thể, đây là công nghệ tấm pin năng lượng mặt trời chiếm ưu thế trên thị trường, bao gồm các loại như pin năng lượng mặt trời mono và đa tinh thể. Các tế bào thế hệ thứ hai là các pin năng lượng mặt trời màng mỏng, gồm các tế bào silicon vô định hình, CdTe và CIGS; có ý nghĩa thương mại trong các nhà máy phát điện năng lượng mặt trời với quy mô lớn hoặc các thiết bị độc lập nhỏ lẻ như máy tính bỏ túi, balo năng lượng mặt trời… Thế hệ thứ ba gồm một số công nghệ màng mỏng được cho là “mới nổi” – hầu hết chúng chưa được ứng dụng thương mại và vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển. Nhiều nhà nghiên cứu sử dụng vật liệu hữu cơ, thường là hợp chất organometallic cũng như các chất vô cơ. Mặc dù thực tế là hiệu quả và độ ổn định của chúng tương đối thấp so với các công nghệ trên nhưng rất hứa hẹn trong tương lai vì chúng có chi phí sản xuất thấp.

Các tấm pin thế hệ thứ nhất bao gồm các loại pin mặt trời silicon. Chúng được làm từ một tinh thể silicon đơn (đơn tinh thể) hoặc được cắt từ một khối silicon được tạo thành từ nhiều tinh thể (đa tinh thể).

Pin năng lượng mặt trời thế hệ thứ hai màng mỏng ít tốn kém chi phí sản xuất hơn so với hai loại silicon truyển thống ở trên vì chúng yêu cầu ít lượng vật liệu để chế tạo. Các tế bào PV màng mỏng đúng như tên gọi của nó là một công nghệ pin mặt trời có cấu tạo vật lý khá mỏng. Chúng kém hiệu quả hơn pin mặt trời Mono và Poly cũng như đòi hỏi diện tích không gian lớn hơn, nhưng bù lại chúng rẻ hơn rất nhiều.

Dưới đây là các loại pin năng lượng mặt trời khác:

1. Pin mặt trời vô định hình (A-Si)

Silicon vô định hình (a-Si) là dạng silicon không kết tinh. Đây là công nghệ phát triển tốt nhất trong số các công nghệ màng mỏng đã có mặt trên thị trường trong hơn 15 năm qua. Nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị máy tính bỏ túi, nó cũng được ứng dụng để cung cấp năng lượng cho các nhà dân, các tòa nhà và các cơ sở nhà máy ở xa. Các tấm pin silicon vô định hình được hình thành bằng cách lắng đọng một lớp vật liệu silicon mỏng khoảng 1 micromet trên các vật liệu nền như thủy tinh hoặc kim loại. Ở dạng đơn giản nhất, cấu trúc tế bào có một chuỗi các lớp P-i-N.

Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng 1

Tuy nhiên, các tế bào lớp đơn chịu sự suy giảm đáng kể về sản lượng điện của chúng (15 – 35%) khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời. Cơ chế suy thoái này được các nhà nghiên cứu phát hiện ra và được gọi là hiệu ứng Staebler-Wronski. Để làm cho độ ổn định tốt hơn đòi hỏi phải sử dụng các lớp mỏng hơn để tăng cường độ điện trường trên toàn bộ vật liệu. Tuy nhiên, điều này làm giảm khả năng hấp thụ ánh sáng, do đó cũng giảm hiệu quả của tế bào. Trong khi pin năng lượng mặt trời tinh thể có thể đạt được hiệu suất khoảng 18% thì pin mặt trời vô định hình chỉ duy trì ở mức 7% do hiệu ứng Staebler-Wronski. Ưu điểm chính của tấm pin silicon vô định hình là chi phí sản xuất thấp hơn, khiến các tế bào này có giá rẻ hơn và có thể cạnh tranh thương mại được.

2. Pin mặt trời sinh học

Pin năng lượng mặt trời sinh học là loại được tạo ra bằng cách sử dụng kết hợp chất hữu cơ và chất vô cơ. Pin mặt trời sinh học đã được thực hiện bởi một nhóm các nhà nghiên cứ tại Đại học Vanderbilt. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng hệ thống quang hợp I (phức hợp protein quang hoạt đặt trong màng thylakoid) để tái tạo quá trình quang hợp tự nhiên để đạt được hiệu quả cao hơn trong chuyển đổi năng lượng mặt trời. Đây là một trong những công nghệ năng lượng tái tạo mới.

Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng 2

3. Pin năng lượng mặt trời Cadmium Telluride (CdTe)

Cadmium telluride (CdTe) mô tả công nghệ quang điện dựa trên việc sử dụng Cadmium Telluride, một lớp bán dẫn mỏng được thiết kế để hấp thụ và chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Cadmium Telluride PV là công nghệ màng mỏng duy nhất có chi phí thấp hơn pin mặt trời silicon thông thường những được ứng dụng cho các hệ thống năng lượng mặt trời lớn nhiều kilowatt.

Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng 3

Về căn bản, CdTe PV có lượng khí thải carbon nhỏ nhất, sử dụng nước thấp nhất và thời gian hoàn vốn ngắn nhất trong tất cả các loại công nghệ năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, độc tính của cadmium là một vấn đề môi trường khi các tấm pin này hết vòng đời, tuy nhiên các nhà nghiên cứu đang tìm cách tái chế các tấm pin CdTe. Thêm nữa, việc sử dụng các vật liệu quý hiếm cũng là một yếu tố hạn chế đối với khả năng mở rộng cộng nghệ này trong tương lai.

  • Độc tính của Cd: Cadmium là một trong 6 nguyên tố độc hại và nguy hiểm nhất được biết đến. Tuy nhiên, CdTe là hợp chất ít độc hơn nguyên tố cadmium rất nhiều đặc biệt là về mặt phơi nhiễm cấp tính. Nhưng điều này không có nghĩa là nó hoàn toàn vô hại. Cadmium Telluride rất độc hại nếu nuốt phải, nếu hít phải bụi hoặc xử lý không đúng cách (tức là không sử dụng găng tay, các đồ bảo vệ tiếp xúc). Ngoài ra, màng cadmium telluride thường được kết tinh lại trong một hợp chất độc hại của cadmium clorua. Việc xử lý và an toàn lâu dài của CdTe là một vấn đề đang rất nan giải nên rất nhiều quốc gia phát triển trên thế giới đã và đang nỗ lực tìm hiểu và khắc phục những vấn đề này.

4. Pin PV tập trung (CPV và HCPV)

Hệ thống quang điện tập trung (CPV) chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện giống như các công nghệ quang điện thông thường, nhưng sử dụng hệ thống quang học tiên tiến để tập trung một vùng ánh sáng mặt trời lớn vào mỗi tế bào để đạt hiểu quả tối đa. Hiện nay tồn tại nhiều thiết kế CPV khác nhau, được phân biệt bởi yếu tố nồng độ như nồng độ thấp (LCPV) hay nồng độ cao (HCPV).

Trái ngược với hệ thống điện năng lượng mặt trời thông thường, nó sử dụng thấu kính và gương cong để tập trung ánh sáng mặt trời vào các tế bào quang điện nhỏ, hiệu quả cao và đa chức năng. Ngoài ra, các hệ thống CPV thường được sử dụng máy theo dõi năng lượng mặt trời và một số còn tích hợp hệ thống làm mát để tăng thêm hiệu quả của chúng.

Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng 4

5. Pin mặt trời Copper Indium Gallium Selenide (CIGS)

Một trong những vật liệu thú vị và gây tranh cãi nhất trong ngành công nghiệp năng lượng mặt trời là Copper-Indium-Gallium-Selenide, được viết tắt là CIGS. Đó là một phần của các công nghệ màng mỏng. Tấm pin năng lượng mặt trời CIGS là loại pin màng mỏng dùng để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện. Chúng được sản xuất bằng cách đặt một lớp mỏng đồng, indium, galium và selenide trên bề mặt nền thủy tinh hoặc nhựa, cùng với các điện cực ở mặt trước và sau để thu dòng điện. Do vật liệu này có hệ số hấp thụ cao và hấp thụ mạnh ánh nắng mặt trời nên có thiết kế mỏng hơn rất nhiều so với các công nghệ vật liệu bán dẫn khác.

Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng 5

6. Tấm pin năng lượng DSSC

Các tế bào năng lượng mặt trời nhạy cảm với chất màu (DSSC) là một loại tế bào quang điện thuộc thế hệ thứ ba chuyển đổi bất kỳ ánh sáng khả kiến nào thành năng lượng điện. Các tế bào năng lượng mặt trời DSSC được phát minh vào năm 1991 bởi M. Graetzel và Brian O’Regan tại EPFL, Thụy Sĩ và thường được gọi là tế bào Graetzel.

DSSC là một công nghệ đột phá có thể được sử dụng để sản xuất điện trong nhiều điều kiện ánh sáng trong nhà và ngoài trời, cho phép người dùng chuyển đổi cả ánh sáng nhân tạo và tự nhiên thành năng lượng để cung cấp cho các thiết bị điện tử. Tấm pin DSSC là loại giá rẻ thuộc nhóm màng mỏng. Nó dựa trên một chất bán dẫn được hình thành giữa cực dương nhạy cảm với photon và chất điện phân, một hệ thống điện hóa photon. DSSC có một số đặc tính hấp dẫn như sử dụng kỹ thuật in cuộn thông thường để tạo ra nó, đặc tính bán linh hoạt và bán trong suốt giúp cung cấp nhiều cách sử dụng khác nhau.

Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng 6

7. Pin năng lượng Gallium Arsenide Germanium (GaAs)

Gallium arsenide bao gồm 2 nguyên tố cơ bản là gallium và arsenic. Khi hai nguyên tố riêng lẻ này liên kết với nhau, chúng sẽ tạo thành hợp chất nói trên, thể hiện nhiều đặc tính thú vị. Gallium arsenide là một hợp chất bán dẫn có tốc độ điện tử bão hòa và độ linh động điện tử lớn hơn so với silicon. Chất bán dẫn này là vật liệu có tính dẫn điện, nó có thể thay đổi khả năng dẫn điện theo nhiệt độ môi trường. Điều này rất hữu ích trong nhiều ứng dụng.

Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng 7

8. Pin quang điện lai

Pin điện năng lượng mặt tời lai kết hợp lợi thế của cả chất bán dẫn hữu cơ và vô cơ. Quang điện lai có các vật liệu hữu cơ bao gồm các polyme liên hợp hấp thụ ánh sáng như phần tử cho và các lỗ vận chuyển. Vật liệu vô cơ trong tế bào lai được sử dụng làm chất nhận và vận chuyển điện tử trong cấu trúc. Các thiết bị quang điện lai không chỉ có chi phí thấp mà còn có tiềm năng mở rộng trong tương lai.

Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng 8

9. Tế bào tập trung năng lượng mặt trời phát quang (LSC)

Bộ tập trung năng lượng mặt trời phát quang (LSC) là một thiết bị sử dụng một tấm vật liệu mỏng để thu bức xạ mặt trời trên một khu vực rộng lớn, trước khi truyền năng lượng đến các tế bào gắn trên các cạnh mỏng của lớp vật liệu. Tấm vật liệu mỏng thường bao gồm một loại polymer, pha tạp với các loại phát quang như chất màu hữu cơ, chấm lượng tử hoặc phức hợp đất hiếm.

Sự phát triển của tấm pin năng lượng mặt trời LSC nhằm tạo ra một cấu trúc làm việc với hiệu quả tối đa về mặt lý thuyết. Một LSC lý tưởng sẽ có các tính chất sau: Phạm vi hấp thụ rộng để sử dụng hiệu quả quang phổ mặt trời; 100% phát xạ ánh sáng được hấp thụ; một sự thay đổi lớn giữa quang phổ hấp thụ và phát xạ để giảm tổn thất hấp thụ và ổn định lâu dài.

Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng 9

10. Pin năng lượng mặt trời song song (Tế bào cặp sử dụng a-Si / μc-Si)

Các tế bào vi mô là các pin mặt trời màng mỏng dựa trên cấu trúc đa chức năng gồm hai tế bào quang điện được xếp chồng lên nhau. Trong khi tế bào trên cùng là silicon vô định hình mỏng hấp thụ ánh sáng xanh, thì tế bào dưới cùng là silicon vi tinh thể dày hơn sẽ hấp thụ ánh sáng đỏ và cận hồng ngoại, cho phép 2 tế bào song song này hấp thụ quang phổ của mặt trời ở phạm vi rộng hơn. Các tế bào năng lượng mặt trời song song “micromorph” là một trong những công nghệ pin mặt trời silicon màng mỏng mới rất hứa hẹn.

Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng 10

11. Pin mặt trời đa chức năng (MJ)

Pin quang điện đa chức năng (MJ) là loại với nhiều mối nối P-N được làm bằng các vật liệu bán dẫn khác nhau. Đường giao nhau P-N của mỗi vật liệu sẽ tạo ra dòng điện đáp ứng với các bước sóng ánh sáng khác nhau. Việc sử dụng nhiều vật liệu bán dẫn cho phép độ hấp thụ ánh sáng ở một phạm vi bước sóng rộng hơn, cải thiện hiệu quả chuyển đổi năng lượng.

Trong các ứng dụng trên mặt đất, công nghệ này đã được đề xuất sử dụng trong quang điện tập trung (CPV), với nhiều địa điểm thử nghiệm nhỏ trên khắp thế giới. Đặc biệt, kỹ thuật này có thể được áp dụng cho pin mặt trời màng mỏng chi phí thấp hơn bằng cách sử dụng silicon vô định hình, trái ngược với silicon tinh thể thông thường, để tạo ra một tế bào có hiệu suất khoảng 10%, nhẹ và linh hoạt.

Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng 11

12. Pin năng lượng mặt trời nano

Tế bào quang điện nano là loại dựa trên chất nền có lớp phủ tinh thể nano. Các tinh thể nano thường dựa trên silicon, CdTe hoặc CIGS và các chất nền nói chung là silicon hoặc các chất dẫn hữu cơ khác nhau. Pin chấm lượng tử là một biến thể của phương pháp này, nhưng tận dụng các hiệu ứng cơ học lượng tử để thu được hiệu suất cao hơn. Pin DSSC cũng là một phương pháp liên quan khác, nhưng trong trường hợp này, cấu trúc nano là một phần của chất nền.

Các phương pháp chế tạo trước đây dựa vào các quy trình tăng trưởng epitaxi phân tử đắt tiền, nhưng tổng hợp chất keo cho phép sản xuất rẻ hơn. Một màng mỏng tinh thể nano thu được bằng một quá trình gọi là “spin-coating” (lớp phủ spin). Quá trình này là việc đặt một lượng dung dịch chấm lượng tử lên một đế phẳng, sau đó được quay tròn rất nhanh. Từ đó dung dịch được trải đều và các chất nền được kéo dài cho đến khi đạt được độ dày cần thiết. Có một số ý kiến cho rằng phép đo hiệu quả của pin mặt trời nano là không chính xác và chúng không phù hợp cho sản xuất quy mô lớn.

Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng 12

13. Pin quang điện Perovskite

Cái tên này có nguồn gốc từ cấu trúc tinh thể ABX3 của các vật liệu hấp thụ, được gọi là cấu trúc perovskite. Chất hấp thụ peroskite được nghiên cứu nhiều nhất là methylammonium chì trihalide (CH3NH3PbX3, trong đó X là một trong các ion halogen như I-, Br-, Cl-), với một vùng hóa trị từ 1.6 eV – 2.3 eV tùy thuộc vào hàm lượng halogen.

Formamidinum chì trihalide (H2NCHNH2PbX3) cũng rất hứa hẹn, với vùng hóa trị 1.5 eV – 2.2 eV. Vùng hóa trị tối thiểu gần với mức tối ưu cho một tế bào đơn hơn so với methylammonium chì trihalide, do đó nó có khả năng mang lại hiệu quả cao hơn. Có một điểm chung giữa chúng là đều bao gồm chì, là thành phần của vật liệu perovskite. Ngoài ra, pin mặt trời dựa trên các chất hấp thụ perovskite sử dụng thiếc như CH3NH3SnI3 cũng đã được kết luận là hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp hơn.

Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng 13

Pin năng lượng quang điện Perovskite có một lợi thế so với các loại pin silicon truyền thống về sự đơn giản trong quá trình chế tạo của chúng. Các tế bào silicon truyền thống đòi hỏi các quy trình nhiều bước đắt tiền, đòi hỏi nhiệt độ cao (lên đến 1000°C) và hút bụi sạch sẽ trong phòng chế tạo, đặc biệt là các tấm pin silicon có độ tinh khiết cao. Những kỹ thuật này khó mở rộng hơn, trong khi vật liệu perovskite hữu cơ – vô cơ có thể được sản xuất với các kỹ thuật xử lý và hóa ướt đơn giản hơn trong môi trường phòng thí nghiệm truyền thống. Đáng chú ý nhất là trihalide chì methylammonium và formamidinium đã được tạo ra bằng nhiều kỹ thuật dung môi và kỹ thuật lắng đọng hơi, cả hai đều có khả năng mở rộng với tính khả thi tương đối.

14. Tế bào quang điện hóa (PEC)

Các tế bào quang hóa (PEC) cung cấp một phương pháp đầy hứa hẹn về sản xuất hydrogen được điều khiển trực tiếp bằng năng lượng mặt trời, tuy nhiên những hạn chế về vật liệu đã cản trở đáng kể hiệu quả của chúng. Mục tiêu nghiên cứu của các nhà khoa học là nâng cao hiệu quả của các tế bào PEC bằng cách xác định và chế tạo các chất bán dẫn chống ăn mòn thể hiện khả năng dẫn điện tối ưu và căn chỉnh biên vùng hóa trị cho các ứng dụng PEC. Các tế bào PEC sử dụng năng lượng ánh sáng (photon) để thực hiện phản ứng hóa học, trong trường hợp này là tách nước thành khí hydro (H2) và oxy (O2).

Chúng bao gồm cực dương và cực âm được nhúng trong chất điện phân và kết nối trong mạch ngoài. Thông thường, cực dương hoặc cực âm sẽ bao gồm một chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng mặt trời và điện cực còn lại sẽ là kim loại. Các photon có năng lượng lớn hơn khoảng phạm vi dải bán dẫn có thể được hấp thụ bởi chất bán dẫn, tạo ra các cặp lỗ electron được phân tách bởi điện trường trong vùng điện tích không gian giữa chất bán dẫn và chất điện phân. Điện trường phản ảnh lại độ cong của dải dẫn và vùng hóa trị ở bề mặt chất bán dẫn và cần thiết để cung cấp các sóng tải tự do cho điện cực thích hợp.

Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng 14

15. Pin năng lượng mặt trời Polymer

Vật liệu được sử dụng để hấp thụ ánh sáng mặt trời trong pin hữu cơ là một vật liệu hữu cơ như polymer liên hợp. Tuy nhiên, nguyên lý cơ bản của pin mặt trời polymer và các dạng pin khác là như nhau, cụ thể là sự biến đổi năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ (ánh sáng) thành năng lượng điện (dòng điện và điện áp), tức là hiện tượng vật lý gọi là hiệu ứng quang điện.

Silicon là một ví dụ cổ điện của chất bán dẫn và cũng là vật liệu hiện đang được sử dụng trong hầu hết các pin mặt trời, tức là pin mặt trời thế hệ đầu tiên. Việc các polyme có thể hoạt động như các chất bán dẫn là một khám phá mà Alan J.Heeger, Alan MacDiarmid và Hideki Shirakawa đã nhận được giải thưởng Nobel về hóa học trong năm 2000. Phát hiện này về các polyme liên hợp có thể chuyển electron khi pha tạp iốt, nó có thể dùng để chế tạo pin mặt trời polymer và từ đó một công nghệ mới đã ra đời. Loại pin quang điện này đã có từ lâu nhưng bị tụt hậu so với các loại pin phổ biến ngày nay về cả hiệu suất lẫn tính ổn định. Tuy nhiên, chúng cũng có một lới thế tiềm năng là khả năng sản xuất từ dạng dung dịch (có thể tráng, phủ, mạ, in…)

Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng 15

16. Pin năng lượng mặt trời chấm lượng tử

Pin mặt trời chấm lượng tử là loại sử dụng các chấm lượng tử làm vật liệu quang điện hấp thụ. Nó là thử nghiệm để thay thế các vật liệu khối lượng lơn như silucon, đồng indium gallium selenide (CIGS) hay CdTe. Các chấm lượng tử có các vùng hóa trị có thể điều chỉnh được trong một phạm vi mức năng lượng bằng cách thay đổi kích thước của các chấm. Đặc tính này làm cho các chấm lượng tử trở nên “hấp dẫn” đối với pin mặt trời đa điểm, trong đó nhiều loại vật liệu được sử dụng để cải thiện hiệu quả bằng cách thu hoạch nhiều phần của quang phổ mặt trời. Các chấm lượng tự là các hạt bán dẫn mà kích thước của nó đủ nhỏ để làm xuất hiện các đặc tính cơ học lượng tử, chúng còn được gọi là “nguyên tử nhân tạo”. Các mức năng lượng này có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước của chúng, từ đó thay đổi vùng hóa trị.

Các loại pin năng lượng mặt trời và ứng dụng của chúng 16

Game bài đổi thưởng
Link with us