Tế bào quang điện là gì? Solar cell được tạo ra như thế nào?

Một câu hỏi cực kỳ phổ biến đối với những người đang tìm hiểu về năng lượng mặt trời là: Tế báo quang điện là gì? Chúng đúng cấu tạo như thế nào? – Nói một cách đơn giản, những tấm pin mà bạn trông thấy trên các mái nhà được hình thành từ nhiều phần tử được kết nối lại với nhau, những phần tử này được gọi là tế bào quang điện và chúng hoạt động để hấp thụ ánh nắng mặt trời và chuyển hóa thành điện năng.

Ở bài viết này tôi sẽ giúp các bạn hiểu rõ hơn về tế bào PV và cách mà chúng được tạo ra là như thế nào cũng như những vật liệu khác nhau mà các nhà sản xuất sử dụng để chế tạo chúng.

Tế bào quang điện (solar cell) là gì?

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. Các phần tử tạo điện mặt trời này được kết nối với mạch điện và được sắp xếp gọn gàng, đồng đều trong một cái khung nhôm, chính là một tấm thu năng lượng mặt trời hoàn chỉnh. Trong thực tế, solar cell thường được làm từ các chất bán dẫn silicon có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời cao và chuyển đổi thành điện năng với hiệu suất tốt.

Hiện nay, những tấm pin năng lượng mặt trời “ưu tú”, có hiệu suất tốt bậc nhất được sử dụng trong các dự án dân dụng chỉ có thể chuyển hóa được khoảng 20% ánh sáng mặt trời mà chúng nhận được biến đổi thành điện năng. Có một vài loại pin mặt trời khác ứng dụng cho mục đích thương mại và công nghiệp có thể đạt được hiệu quả lên đến 40%, nhưng chúng có giá đắt hơn rất nhiều và ít phù hợp với nhu cầu dân dụng.

Một trong những điều tuyệt vời của ngành công nghiệp này là những công nghệ liên quan đến năng lượng mặt trời đang liên tục phát triển theo hướng đi lên, nâng cao chất lượng và hiệu quả tổng thể. Điều này đồng nghĩa với việc hiệu suất chuyển đổi quang-điện không chỉ tăng mà giá thành của các tấm pin cũng sẽ giảm mạnh trong thời gian tới, qua đó mở ra cơ hội để nhiều người có thể tiếp cận được với nguồn năng lượng tái tạo này hơn.

Tế bào quang điện được chế tạo ra như thế nào?

Giai đoạn 1: Làm sạch silicon

Các silicon dioxide được đặt vào một lò hồ quang điện. Sau đó, một hồ quang carbon được đặt vào để giải phóng oxy. Sản phẩm thu được là carbon dioxide và silicon nóng chảy. Điều này sẽ mang lại silicon chỉ có 1% tạp chất, rất hữu ích trong một số ngành công nghiệp. Tuy nhiên, nó vẫn chưa đủ tinh khiết để chế tạo pin quang điện.

Silicon hiện tại đang có độ tinh khiết 99%, sẽ được tinh chế hơn nữa bằng cách sử dụng một thứ gọi là kỹ thuật vùng nóng chảy di động. một thanh silicon không tinh khiết được truyền qua vùng nóng chảy di động theo cùng 1 hướng. Những gì quy trình này làm là kéo các tạp chất về một phía nhất định với mỗi lần vượt qua đó. Tại một thời điểm nhất định, silicon sẽ được coi là nguyên chất và phần lẫn tạp chất sẽ bị cắt bỏ.

Giai đoạn 2: Chế tạo silicon đơn tinh thể

Tế bào tạo điện mặt trời được làm từ những thỏi silicon. Đây là dạng đa tinh thể có cấu trúc nguyên tử của một tinh thể. Phương pháp được sử dụng phổ biến cho việc tạo ra các thỏi silicon này được gọi là Czochralski. Trong quá trình này, một tinh thể hạt silicon được nhúng vào silicon đa tinh thể nóng chảy. Khi tinh thể hạt được rút ra, nó sẽ được xoay tròn thanh một thỏi hình trụ, đó là cách một thỏi silicon được hình thành. Thỏi này là hoàn toàn tinh khiết, vì tất cả các tạp chất đã bị bỏ lại trong quá trình rút hạt ra.

Giai đoạn 3: Làm tấm silicon

Tấm silicon cấu tạo từ bó silicon được cắt lát riêng lẻ ra bằng cưa tròn. Loại cưa kim cương là loại tốt nhất để thực hiện công việc này. Quy trình cắt silicon này sẽ bị hao hụt khoảng một nữa cho đến lúc có được một tấm silicon tròn, và có thể sẽ mất nhiều hơn khi tiếp tục cắt chúng thành hình chữ nhật hoặc hình lục giác (vì những hình dạng này thích hợp để gắn kết gọn gàng trên khung tấm pin năng lượng). Tiếp theo, các tấm silicon được đánh bóng để loại bỏ những vết cưa sần sùi.

Giai đoạn 4: Pha tạp

Hình thức pha tạp gần đây nhất (nói cách khác là thêm tạp chất cần thiết vào các tấm silicon) bằng phốt pho là sử dụng máy gia tốc hạt nhỏ để “bắn” các ion photpho vào thỏi silicon. Bằng cách kiểm soát tốc độ của các ion, điều này có nghĩa là ta có thể kiểm soát được độ sâu thâm nhập. Tuy nhiên, quy trình này vẫn chưa được chấp nhận hoàn toàn.

Giai đoạn 5: Đặt các tiếp điểm điện

Các tiếp điểm điện được sử dụng để kết nối từng tế bào quang điện với nhau, cũng giống như với máy thu của dòng điện được sản xuất. Phần tiếp xúc cần phẩn cực kỳ mỏng để chúng không chặn ánh sáng mặt trời chiếu vào tế bào. Các kim loại như palladium hay đồng sẽ được thăng hoa chân không thông qua chất quang dẫn hoặc lắng đọng trên phần tế bào tiếp xúc đã được phủ một lớp bằng sáp. Sau khi các tiếp điểm được đặt đúng vị trí, các ván mỏng sẽ được đặt giữa các ô tế bào. Các ván mỏng này được sử dụng phổ biến nhất là đồng tráng thiếc.

Giai đoạn 6: Lớp phủ chống phản quang

Silicon nguyên chất sẽ có độ bóng tự nhiên nên sẽ phản xạ ánh sáng lên đến 35% khi mặt trời chiếu vào nó. Để khắc phục và giảm lượng ánh sáng hao hụt do phản quang này, chúng sẽ được phủ titanium dioxide và silicon oxide. Vật liệu được sử dụng cho lớp phủ được nung nóng cho đến khi các phần tử của nó sôi lên và di chuyển đến silucon để ngưng tụ. Trong quá trình này, một điện áp cao sẽ đánh bật các phần tử ra khỏi vật liệu và sau đó gửi chúng vào silicon ở điện cực đối diện.

Giai đoạn thứ 7 (cuối cùng): Đóng gói tế bào

Các tế bào solar đã hoàn thành sẽ được đóng gói. Điều này có nghĩa là chúng được niêm phong vào cao su silicon hoặc ethylene vinyl acetate. Các tế báo được đóng gói sau đó được đặt vào một khung nhôm có tấm nền và vỏ bằng thủy tinh hoặc nhựa.