Pin năng lượng mặt trời có thể hoạt động dưới ánh sáng nhân tạo không?

Bức xạ mặt trời và quang phổ ánh sáng

Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng chính cho các tấm pin sử dụng để tạo ra điện. Chúng ta có thể hình dung nó như là một sự truyền tập hợp các bức xạ điện từ của Mặt Trời và được phân phối trong quang phổ ánh sáng bao gồm các tia cực tím và bức xạ hồng ngoại.

Quang phổ bức xạ mặt trời có thể được chia thành nhiều vùng theo bước sóng của sóng điện từ ở Trái Đất, như bạn có thể thấy trong hình dưới đây:

Pin năng lượng mặt trời có thể hoạt động dưới ánh sáng nhân tạo không 1

Từ biểu đồ trên, chúng ta có thể nhận thấy rằng bức giá trị bức xạ cao nhất có thể thu được là trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Vùng này chứa tất cả các màu sắc (như cầu vòng) và bao gồm các bước sóng từ 400 đến 700 nm.

Dựa vào phương pháp tiếp cận này, hầu hết các nhà sản xuất đều tập trung vào việc tối đa hoá sự hấp thụ bức xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Tuy nhiên, các bảng pin mặt trời cũng có thể được thiết kế để hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng khác. Như chúng ta có thể thấy dưới đây, một số công nghệ pin mặt trời phổ biến nhất như là MonoPoly có thể hấp thụ không chỉ ở vùng ánh sáng nhìn thấy mà còn bao gồm cả những vùng ánh sáng bước sóng cao hơn thế. Chúng có thể hấp thụ ánh sáng trong vùng bức xạ Hồng ngoại lên đến 1200 nm.

Như bạn có thể thấy ở những phân tích trên, không chỉ vùng ánh sáng nhìn thấy mà các vùng bước sóng ánh sáng khác cũng có thể được tận dụng để tối ưu sản lượng bởi các công nghệ cao cấp hơn có bán trên thị trường như tấm pin năng lượng mặt trời silicon Mono hay Poly…Cũng chính vì lý do này, mà rất nhiều người có thắc mắc là liệu các bảng pin năng lượng có thể tạo ra điện từ các nguồn ánh sáng nhân tạo như đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang hay không?

Ánh sáng nhân tạo

Một bóng đèn sợi đốt sẽ bao gồm một quả bóng thuỷ tinh bên trong chứa dây tóc được nung nóng nhiệt độ cao (2.000 đến 3.000K) và thường được xác định và thường được xác định trong quang phổ với bước sóng 300 – 830 nm, có giới hạn trên thuộc vùng bức xạ Hồng ngoại. Do đó, dựa theo phân tích ở phần trên thì ta sẽ thấy rất hợp lý để kết luận rằng các tấm có thể hấp thụ ánh sáng nhân tạo từ đèn sợi đốt (tấm pin có thể hấp thụ ánh sáng có bước sóng từ 300 – 1200 nm).

Pin năng lượng mặt trời có thể hoạt động dưới ánh sáng nhân tạo không 2

Mặt khác, đèn huỳnh quang được thiết kế để đặt bên trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Có nhiều loại đèn huỳnh quang (khoảng 12 loại) được thiết kế bằng các công nghệ khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết trong số chúng đều sử dụng các loại vật liệu tích điện như thuỷ ngân để tạo một đường dẫn cho dòng điện chạy qua. Đổi lại, điều này sẽ dẫn một lượng chất huỳnh quang để phát huỳnh quang và tạo ra ánh sáng nhìn thấy. Công nghệ này tập trung vào dải dưới của vùng ánh sáng nhìn thấy để tạo ra ánh sáng tia cực tím thấp.

Đèn LED cũng là nguồn ánh sáng nhân tạo rất phổ biến khác. Điốt phát sáng (LED) là loại bóng đèn sử dụng điện phát quang của một vùng năng lượng cấm để phát ra ánh sáng. Chúng có thể được chia thành công nghệ mát và công nghệ nóng.

Các bảng pin năng lượng mặt trời được thử nghiệm trong điều kiện ánh sáng nhân tạo

Ben Minnaert và Peter Veelaert từ đại học Ghent cũng đã từng tự hỏi như chúng ta và họ đã bắt tay vào nghiên cứu này. Để tìm lời giải đáp cho thắc mắc đó, họ đã đặt tất cả các tấm pin vào từng loại đèn nhân tạo khác nhau để kiểm chứng như đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang, đèn LED và đèn halogen kim loại.

Sau đó, họ đã sử dụng nhiều công nghệ khác nhau như silicon đơn tinh thể, silicon đa tinh thể, Cadmium, Tellurium, CIGS…để định lượng sản lượng điện và so sánh giữa các loại tấm pin trong điều kiện phòng 500 lux (thước đo điển hình của cường độ ánh sáng trong một mét vuông phòng).

Thật ngạc nhiên, họ thấy rằng các tấm pin thực sự có thể hấp thụ ánh sáng nhân tạo và sản xuất ra điện. Tuy nhiên, giá trị hiệu quả không được như mong đợi và thua xa điều kiện ánh sáng mặt trời ban ngày.

Họ phát hiện ra rằng công nghệ đơn tinh thể (Mono) và đèn sợi đốt là sự kết hợp tốt nhất từ việc sử dụng ánh sáng nhân tạo, tiếp theo đó là sự kết hợp giữa đa tinh thể (Poly) với ánh sáng nhân tạo từ đèn sợi đốt. Tuy nhiên, tính theo độ chiếu sáng 500 lux, chỉ có thể đạt được 6W/m2, một con số quá thấp.

Các nguồn ánh sáng khác như huỳnh quang, LED và halogen không hiệu quả với tế bào quang điện silicon, nhưng thay vào đó các tấm pin mặt trời GaAs và CdTe lại được. Tuy nhiên, chúng chỉ có thể tạo ra khoảng 1W/m2 nên không phù hợp để ứng dụng.

Tóm lại

Có rất nhiều suy nghĩ của người dùng về cách vận hành của các tấm pin mặt trời trong nhiều trường hợp khác nhau, đặc biệt là vấn đề chúng ta nhắc đến hôm nay về ánh sáng nhân tạo. Dựa vào những nghiên cứu đã được thực hiện trên thế giới, chúng tôi có thể kết luận rằng các tấm PV có thể sản xuất ra điện dựa trên nguồn ánh sáng nhân tạo nhưng hiệu quả thu được không hề cao và không đáng kể để ứng dụng.

Pin năng lượng mặt trời có thể hoạt động dưới ánh sáng nhân tạo không 3

Hơn nữa, nếu so sánh quang phổ bức xạ từ bóng huỳnh quang với quang phổ bức xạ mặt trời thì chúng ta có thể dễ dàng thấy được sự khác biệt rất lớn về độ hiệu quả.

Bức xạ mặt trời thì dày đặc và liên tục giúp các tấm pin tối đa hoá sự hấp thụ và chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Như đã phân tích ở trên ánh sáng nhân tạo chỉ giúp các tấm PV tạo ra nguồn điện tính bằng từng W/m2, trong khi ánh sáng mặt trời đem đến cho các tấm pin công suất tính bằng đơn vị kW/m2 (kW = 1.000W).