Vài nét về tế bào quang điện (Solar cell) của tấm pin

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo sạch nhất và có sẵn nhiều nhất. Công nghệ hiện đại có thể khai thác năng lượng này cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau như sản xuất điện năng, cung cấp nguồn sáng, ứng dụng để làm nóng nước, thương mại và công nghiệp…

Năng lượng mặt trời cũng có thể được sử dụng để đáp ứng cho các nhu cầu về điện của chúng ta. Thông qua các tế bào quang điện (solar cells), bức xạ mặt trời được chuyển đổi trực tiếp thành dòng điện một chiều. Dòng điện này có thể được sử dụng trực tiếp hoặc lưu trữ vào ắc quy. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng nhau đi tìm hiểu vài nét về tế bào quang điện năng lượng mặt trời

Định nghĩa:

Tế bào quang điện mặt trời là một thiết bị chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện bằng việc ứng dụng hiệu ứng quang-điện. Tế bào PV được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng như tín hiệu đường sắt, đèn đường, camera an ninh, cung cấp điện cho hệ thống remote điều khiển từ xa…

Nó có một lớp silicon loại p được đặt sát với một lớp silicon loại n và sự tán xạ các electron xảy ra từ vật liệu n đến vật liệu p. Trong vật liệu silicon loại p, có các lỗ trống có thể chứa được các electron. Vật liệu loại n thì rất giàu electron, do ảnh hưởng của bức xạ của mặt trời các electron di chuyển từ vật liệu n sang kết hợp với các lỗ trống ở vật liệu p. Điều này tạo ra một điện tích ở hai bên tiếp giáp giữa p và n tạo ra một điện trường. Kết quả là một diode giống như hệ thống phát triển nhằm thúc đẩy dòng điện tích. Đây là dòng điện trôi, chúng cân bằng sự khuếch tán của electron và lỗ trống. Khu vực xảy ra dòng điện trôi là vùng cạn kiệt hoặc vùng sạc không gian thiếu các hạt mang điện.

Vì vậy trong bóng tối, tế bào quang điện hoạt động giống như một diode phân cực ngược. Khi ánh sáng chiếu vào, giống như đi-ốt, pin mặt trời chuyển tiếp và dòng điện chạy theo một hướng từ cực dương đến cực âm giống như đi-ốt. Thông thường điện áp mạch hở (không kết nối ắc quy) của tấm pin mặt trời sẽ cao hơn điện áp định mức. Ví dụ tấm pin 12V sẽ cho khoảng 20V dưới ánh sáng mặt trời. Nhưng khi kết nối với ắc quy, điện áp sẽ giảm xuống còn 14-15V.

Các tế bào PV được làm bằng vật liệu đặc biệt gọi là chất bán dẫn, ví dụ như silicon hiện đang được sử dụng phổ biến nhất. Về cơ bản, khi ánh sáng chiếu vào tế bào, sẽ được hấp thụ bên trong chất bán dẫn. Điều này có nghĩa là năng lượng của ánh sáng hấp thụ được dẫn truyền đến chất bán dẫn.

Các tế bào PV cũng có một hoặc nhiều điện trường hoạt động để làm cho các electron được giải phóng bằng việc hấp thụ ánh sáng để chảy thoe một hướng nhất định. Dòng chảy của electron là một dòng điện và bằng cách đặt các điểm tiếp xúc kim loại trên đỉnh và đáy của tế bào, chúng ta có thể rút dòng điện đó ra để sử dụng. Điện áp của các tế bào xác định nguồn năng lượng mà tế bào đó có thể sản xuất được. Quá trình chuyển đổi ánh sáng thành điện năng còn được gọi là hiệu ứng quang-điện. Một loạt các tấm pin năng lượng mặt trời chuyển hoá ánh nắng thành dòng điện một chiều (DC). Dòng điện một chiều sau đó được đưa vào biến tần (inverter) để chuyển đổi thành dòng xoay chiều (AC) tương thích với các thiết bị điện trong nhà.

Tế bào quang điện của tấm pin:

Một tấm pin mặt trời là một tập hợp của nhiều tế bào quang điện. Tấm pin năng lượng chuyển hoá ánh sáng mặt trời thành điện năng. Pin năng lượng mặt trời sử dụng vật liệu Ohmic cho các kết nối cũng như các thiết bị đầu cuối bên ngoài. Vì vậy, các electron được tạo ra trong vật liệu loại n đi qua điện cực đến dây kết nối với pin. Thông qua pin, các electron tiếp cận với vật liệu loại p. Tại đây các electron kết hợp với các lỗ trống. Vì vậy, khi tấm pin được kết nối với pin lưu trữ, nó hoạt động giống như một loại pin khác và cả hệ thống giống như chuỗi hai pin được kết nối với nhau.

Đầu ra của bảng pin mặt trời là nguồn năng lượng có công suất được đo bằng Watt (W) hoặc kiloWatt (kW). Pin mặt trời cũng được phân loại theo công suất đầu ra như 50W, 100W, 400W…Vì vậy, trước khi chọn loại bảng pin năng lượng bạn cần phải tìm ra mức công suất tải cần thiết cho các thiết bị của bạn. Wh hoặc kWh là đơn vị đo được sử dụng cho việc tính toán các nhu cầu năng lượng. Theo nguyên tắc chung, năng suất trung bình bằng 20% của năng suất đỉnh. Do đó, mỗi kW cực đại của mảng pin mặt trời cung cấp một công suất đầu ra tương ứng với mức sản xuất năng lượng là 4.8kWh/ngày, hay 24 giờ x 1 kW x 20%.

Hiệu suất của pin năng lượng phụ thuộc vào một số yếu tố như thời tiết, điều kiện của bầu trời, định hướng của tấm pin, cường độ và thời gian ánh sáng mặt trời và các kết nối dây cáp. Nếu ánh nắng bình thường, một tấm pin 12V/15W sẽ cho ra dòng điện khoảng 1 ampe. Nếu được bảo trì một cách hợp lý, một bảng pin sẽ có thể tồn tại trên 25 năm.

Thông thường nó được bố trí hướng trực tiếp về xích đạo với góc nghiêng bằng với vĩ độ tại vị trí đó để tối ưu hoá sản lượng điện quanh năm. Có thể tối đa hoá việc sản xuất bằng cách theo dõi hệ thống năng lượng mặt trời theo mùa để điều chỉnh hướng cũng như góc nghiêng của các tấm pin. Dây cáp kết nối cũng quan trọng, hệ thống dây điện chất lượng sẽ đảm bảo quá trình sạc ắc quy tốt hơn, nếu dây quá dài dòng điện sạc có thể bị giảm đáng kể. Vì vậy theo quy đinh, pin năng lượng được bố trí độ cao khoảng 10-20 feet so với mặt đất. Làm vệ sinh các tấm pin mặt trời đúng cách để loại bỏ bụi bẩn, lá cây, phân chim…sẽ duy trì và cải thiện hiệu suất tạo điện của chúng, do đó điều này cũng rất quan trọng và cần thiết.

Tấm pin PV có tổng cộng 4 trạng thái quá trình là quá tải, trong quá trình sạc, pin yếu và tình trạng phóng điện sâu.