Hiện nay, các dịch vụ lắp đặt điện mặt trời đang phát triển mạnh mẽ, cung cấp một loạt các loại pin mặt trời từ nhiều thương hiệu lớn đến những công ty nhỏ.Vì thế cũng có không ít người thắc mắc về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời. Vậy, trong bài viết này hãy cùng dienmattroigiadinh.net tìm hiểu về vấn đề này nhé!
NỘI DUNG TÓM TẮT
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời – Vật liệu cấu tạo
Pin năng lượng mặt trời, còn được gọi là pin mặt trời hoặc pin quang điện (Solar panel), bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) – là các thành phần bán dẫn có chủ yếu là silic tinh khiết – được trang bị một số lượng lớn cảm biến ánh sáng gọi là điốt quang, để chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.
Các tế bào quang điện này được bảo vệ bởi một tấm kính trong suốt phía trước và một lớp vật liệu nhựa phía sau. Toàn bộ bề mặt pin mặt trời được đóng gói trong môi trường chân không thông qua lớp nhựa polymer càng trong suốt càng tốt.
Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời biến đổi tùy thuộc vào lượng ánh sáng chiếu sáng lên chúng. Các tế bào quang điện được kết hợp lại thành một khối để tạo thành pin mặt trời (thông thường là 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời).
Đến nay, vật liệu chính cho pin mặt trời (cũng như cho các thiết bị bán dẫn) vẫn là silic tinh thể. Pin mặt trời từ silic tinh thể có thể được phân loại thành ba loại:
- Đơn tinh thể hoặc tinh thể đơn được sản xuất thông qua quá trình Czochralski, với hiệu suất lên đến 16%. Loại này thường có giá thành cao do được cắt từ các thỏi hình ống, và chúng có các mặt trống ở góc nối giữa các module.
- Đa tinh thể làm từ silic nung chảy trong đúc-đúc cẩn thận, sau đó được làm nguội và rắn. Các pin này thường rẻ hơn so với đơn tinh thể, mặc dù hiệu suất của chúng thường kém hơn. Tuy nhiên, chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn so với đơn tinh thể, bù lại cho hiệu suất thấp của chúng.
- Dải silic được tạo thành từ các miếng phim mỏng từ silic nung chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, nhưng lại có giá thành thấp nhất trong các loại pin, vì không cần phải cắt từ thỏi silic.
Vật liệu được sử dụng để đóng gói pin mặt trời
Một trong những yếu tố quan trọng nhất đối với pin mặt trời là vật liệu đóng gói – đây chính là chất kết dính giữa các lớp khác nhau tạo thành tấm pin. Trong số các vật liệu phổ biến, EVA – Ethylene Vinyl Acetate, đóng vai trò quan trọng. Đây là một loại polymer mờ đục, được sản xuất dưới dạng cuộn và phải được cắt thành các tấm để đặt trước và sau các tế bào quang điện.
Quá trình nấu chân không làm cho loại polymer đặc biệt này trở thành lớp keo trong suốt, gắn kết chặt các tế bào quang điện. Chất lượng của quá trình này, thường được gọi là quá trình cán màng, quyết định tuổi thọ của tấm pin, đồng thời ảnh hưởng đến khả năng truyền ánh sáng, tốc độ xử lý và khả năng chống lại sự biến màu vàng do tác động của tia tử ngoại (UV).
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời – Cách Chuyển hóa dòng điện
Pin năng lượng mặt trời, còn được gọi là pin quang điện hoặc tế bào quang điện, là một thiết bị bán dẫn chứa một số lượng lớn các diode p-n. Dưới tác động của ánh sáng mặt trời, pin có khả năng tạo ra dòng điện có thể sử dụng được. Quá trình chuyển đổi này được gọi là hiệu ứng quang điện.
Vài nét về hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện được phát hiện lần đầu vào năm 1839 bởi nhà vật lý người Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên, cho đến năm 1883, một loại pin năng lượng mới đã được tạo ra bởi Charles Fritts. Ông đã phủ một lớp cực mỏng vàng lên mạch bán dẫn selen để tạo ra mạch nối.
Mặc dù thiết bị này chỉ có hiệu suất 1%, nhưng Russell Ohl được xem là người đã tạo ra chiếc pin năng lượng mặt trời đầu tiên vào năm 1946. Sven Ason Berglund cũng đã có những phát minh liên quan đến việc tăng cường khả năng cảm nhận ánh sáng của pin này.
Nền tảng vật lý chất bán dẫn
Để nắm vững kiến thức về pin mặt trời, cần có hiểu biết cơ bản về vật lý chất bán dẫn. Để giải thích một cách đơn giản, ta có thể hạn chế miêu tả hoạt động của pin năng lượng tinh thể silic.
Silic nằm trong nhóm IV, có tứ electron ở lớp ngoại cùng. Nó có khả năng kết hợp với các nguyên tử silicon khác để tạo thành chất rắn. Có hai dạng cơ bản của chất rắn silicon: không có cấu trúc đặc trưng (đa thù hình) và có cấu trúc tinh thể (nguyên tử sắp xếp theo thứ tự không gian 3 chiều). Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất sử dụng đa thù hình silicon.
Silic được xem là một chất bán dẫn. Nghĩa là, trong cấu trúc rắn của silic, có một số tầng năng lượng mà electron có thể đạt được, và có một số tầng năng lượng mà không thể đạt được. Các tầng năng lượng mà electron không thể đạt được gọi là “tầng trống”. Lý thuyết này dựa trên lý thuyết cơ học lượng tử.
Ở nhiệt độ phòng, silic nguyên chất thường có tính dẫn điện kém. Trong cơ học lượng tử, điều này được giải thích dựa trên mức năng lượng Fermi trong tầng trống. Để cải thiện tính dẫn điện của silic, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử thuộc nhóm III hoặc V trong bảng tuần hoàn hóa học. Các nguyên tử này thường chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể và tạo liên kết với các nguyên tử silic xung quanh tương tự như một nguyên tử silic.
Tuy nhiên, các phân tử thuộc nhóm III có 3 electron ở lớp ngoại cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ở lớp ngoại cùng. Điều này dẫn đến tình trạng một số vị trí trong mạng tinh thể có dư electron trong khi một số khác lại thiếu electron. Những electron dư thừa hoặc thiếu (còn gọi là lỗ trống) không tham gia vào các liên kết trong mạng tinh thể mà chúng có khả năng tự do di chuyển trong khối tinh thể.
Khi silic kết hợp với nguyên tử nhóm III như nhôm hoặc gallium, loại bán dẫn này được gọi là bán dẫn p, bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive). Trái lại, khi silic kết hợp với các nguyên tử nhóm V như phosphorus hay arsenic, loại bán dẫn này được gọi là bán dẫn n do mang năng lượng âm (negative).
Cần lưu ý rằng cả hai loại bán dẫn n và p đều có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng mức năng lượng dương và âm. Loại bán dẫn n với điện tích âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự cho loại p với điện tích dương.
Sử dụng ánh sáng quang điện để tạo ra điện năng
Khi một photon va chạm vào một tấm silic, một trong hai kịch bản sau có thể diễn ra:
- Photon có thể xuyên qua mảnh silic mà không tương tác. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon không đủ lớn để kích thích các electron, không đưa chúng lên trạng thái năng lượng cao hơn.
- Photon có thể bị hấp thụ bởi mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon đủ lớn để kích thích các electron, đưa chúng lên trạng thái năng lượng cao hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các electron trong cấu trúc tinh thể của silic. Thông thường, các electron này ở lớp vỏ và thường liên kết chặt với các nguyên tử lân cận, không di chuyển tự do. Khi các electron này được kích thích và trở thành dẫn điện, chúng có khả năng di chuyển trong cấu trúc bán dẫn.
Kết quả là một số nguyên tử trong bán dẫn sẽ thiếu đi một electron, tạo ra những “lỗ trống”. Những “lỗ trống” này tạo điều kiện cho các electron từ các nguyên tử xung quanh di chuyển và điền vào những “lỗ trống” này, tạo ra những “lỗ trống” mới. Quá trình này tiếp tục lan truyền qua toàn bộ cấu trúc bán dẫn.
Một photon chỉ cần có đủ năng lượng để kích thích electron ở lớp ngoài cùng của vật liệu dẫn điện. Tuy nhiên, mặt trời thường có tần số cao, khoảng 6000°C, vì vậy hầu hết năng lượng mặt trời được phát ra đều được silic hấp thụ. Tuy hầu hết năng lượng từ mặt trời được hấp thụ bởi silic, song phần lớn của nó được chuyển đổi thành nhiệt độ thay vì được sử dụng như năng lượng điện.
Lời kết
Xin được kết thúc phần giải thích về nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ở đây. Hy vọng rằng với thông tin đã được chia sẻ, sẽ giúp giải đáp tất cả những câu hỏi mà bạn đọc có thể đang quan tâm về pin mặt trời.