Tìm hiểu tế bào quang điện từ A đến Z

Một câu hỏi cực kỳ phổ biến đối với những người đang tìm hiểu về năng lượng mặt trời là: Tế bào quang điện là gì? Chúng được 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 Việt Nam Solar sẽ giúp các bạn hiểu tất tần tật từ A – Z về tế bào quang điện: cách mà chúng được tạo ra là như thế nào cũng như những thông tin liên quan đến chúng.

1. Tế bào quang điện là gì?

Tế bào quang điện
Tế bào quang điện

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.

📞 Giữ Chỗ Hòa Lưới với EVN + Lắp với giá vốn O Đồng Độc Quyền tại Việt Nam Solar >> CLick để tìm hiểu thêm thông tin📞

2. Các loại tế bào quang điện:

Trên thị trường hiện nay, tấm pin năng lượng mặt trời gồm 2 loại thông dụng, sử dụng 2 loại tế bào quang điện Mono và Poly.

Mono:

tấm pin mono
Tấm pin mono

Tế bào quang điện của tấm nền đơn được làm bằng silicon đơn tinh thể, có độ tinh khiết cao, thường đắt hơn các tế bào khác.

Các góc của các ô trông giống như chúng được cắt bớt, tạo thành một hình bát giác.

Bảng điều khiển năng lượng mặt trời bao gồm nhiều tế bào đơn lẻ được hiển thị dưới dạng hình ảnh hoa văn kim cương trắng nhỏ, được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí linh kiện.

Ưu điểm của loại tế bào quang điện khi tạo thành tấm nền là hiệu suất cao và thời gian sử dụng lâu dài. Đặc biệt hoạt động tốt ngay cả trong điều kiện thiếu sáng.

Nhược điểm của tấm pin năng lượng mặt trời Mono là giá thành khá cao so với các tấm pin khác.

Poly:

tấm pin poly
Tấm pin poly

Tế bào quang điện Poly cell được làm từ các tế bào silicon đa tinh thể, được làm từ silicon hình vuông đúc nóng chảy, được làm nguội và cứng cẩn thận.

Đây là loại cell được sử dụng phổ biến, nó có độ giãn nở cao và chịu được nhiệt độ cao và quy trình sản xuất đơn giản, rẻ tiền nên giá thành cũng thấp hơn dòng Mono.

Vì giá thành rẻ nên tế bào quang điện Poly kém hiệu quả hơn nhiều so với tế bào Mono.

3. Tế bào quang điện được cấu tạo như thế nào?

Giai đoạn 1: Làm sạch silicon

Điôxít silic được đặt trong lò điện hồ quang. Sau đó, một hồ quang carbon được áp dụng để giải phóng oxy. Các sản phẩm thu được là cacbon đioxit và silic nóng chảy.

Điều này sẽ tạo ra silicon chỉ với 1% tạp chất, rất hữu ích trong một số ngành công nghiệp. Tuy nhiên, nó vẫn chưa đủ tinh khiết để tạo ra tế bào quang điện.

Silicon, hiện là 99% tinh khiết, sẽ được tinh chế thêm bằng cách sử dụng một thứ gọi là kỹ thuật vùng nóng chảy di động một thanh silicon không tinh khiết được đưa qua vùng nóng chảy chuyển động theo cùng một hướng.

Những gì quá trình này làm là kéo các tạp chất về một phía nhất định với mỗi lần đi qua. Đến một thời điểm nhất định, silicon được coi là tinh khiết và các tạp chất sẽ được loại bỏ.

Giai đoạn 2: Chế tạo silicon đơn tinh thể

Pin mặt trời được làm từ các thanh silicon. Đây là một dạng đa tinh thể với cấu trúc nguyên tử của một tinh thể.

Phương pháp thường được sử dụng để tạo ra những thanh 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 quay thành một thanh hình trụ, đó là cách một thỏi silicon được hình thành. Thỏi này hoàn toàn tinh khiết, vì tất cả các tạp chất đã bị bỏ lại trong quá trình rút hạt.

Giai đoạn 3: Tạo tấm silicon

Tấm silicon được tạo thành từ một bó silicon được cắt ra riêng biệt bằng cưa tròn. Máy cưa kim cương là tốt nhất cho công việc này.

Quá trình cắt silicon này sẽ bị lãng phí khoảng nửa năm cho đến khi thu được một tấm silicon hình tròn, và thậm chí có thể mất nhiều thời gian hơn nữa để tiếp tục cắt chúng thành hình chữ nhật hoặc hình lục giác (vì những hình dạng này phù hợp để gắn ngay ngắn trên khung bảng năng lượng mặt trời).

Tiếp theo, các tấm silicon được đánh bóng để loại bỏ các vết cưa sần sùi.

Giai đoạn 4: Doping

Hình thức pha tạp gần đây nhất (nói cách khác là thêm tạp chất cần thiết vào tấm silicon) với phốt pho là sử dụng một máy gia tốc hạt nhỏ để “bắn” các ion phốt pho vào thỏi silicon.

Bằng cách kiểm soát tốc độ của các ion, điều này có nghĩa là độ sâu thâm nhập có thể được kiểm soát. Tuy nhiên, quy trình này vẫn chưa được chấp nhận hoàn toàn.

Giai đoạn 5: Đặt các tiếp điểm điện

Tiếp điểm điện được sử dụng để kết nối các tế bào quang điện riêng lẻ với nhau, giống như với bộ thu dòng điện được tạo ra. Các mặt tiếp xúc cần phải cực kỳ mỏng để không cản ánh sáng mặt trời chiếu vào các tế bào.

Các kim loại như palladium hoặc đồng được thăng hoa chân không qua chất dẫn quang hoặc lắng đọng trên phần tế bào tiếp xúc đã được phủ bằng sáp.

Sau khi các địa chỉ liên lạc được đặt vào vị trí, các bảng được đặt giữa các ô. Các loại laminates được sử dụng phổ biến nhất là đồng tráng thiếc.

Giai đoạn 6: Lớp phủ chống phản chiếu

Silicon nguyên chất sẽ có độ bóng tự nhiên nên sẽ phản xạ ánh sáng lên đến 35% khi có ánh nắng mặt trời chiếu vào.

Để khắc phục và giảm sự thất thoát ánh sáng do những phản xạ này, chúng sẽ được phủ một lớp titanium dioxide và oxit silic. Vật liệu được sử dụng cho lớp phủ được đun nóng cho đến khi các hạt của nó sôi và di chuyển đến silucon để ngưng tụ.

Trong quá trình này, một điện áp cao sẽ đánh bật các hạt ra khỏi vật liệu và sau đó gửi chúng vào silicon ở điện cực đối diện.

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

Các pin mặt trời hoàn thành sẽ được đóng gói. Điều này có nghĩa là chúng được niêm phong trên cao su silicon hoặc ethylene vinyl axetat. Sau đó, các tế bào đã được đóng gói được đặt trong một khung nhôm có kính hoặc nhựa và nắp đậy.

4. Nguyên tắc hoạt động:

Tế bào quang điện có cấu tạo gồm hai lớp, một lớp cực âm và một lớp cực dương dùng để tạo ra điện trường.

Khi các hạt năng lượng nhỏ, photon từ ánh sáng mặt trời hấp thụ vào tế bào, giải phóng các electron và dẫn nó xuống đáy tế bào và đi qua các con đường kim loại, tạo ra điện.

Nguyên lý làm việc của tế bào quang điện

Nguyên lý làm việc của tế bào quang điện
Nguyên lý làm việc của tế bào quang điện

PV được coi là sản phẩm nhân tạo thứ hai trong nỗ lực chinh phục nguồn bức xạ vô tận của mặt trời để sử dụng cho các nhu cầu của mình (sản phẩm đầu tiên là những tấm gương hội tụ nhiệt từ mặt trời để phản xạ vào mục đích nhiệt – nhà máy nhiệt điện mặt trời ).

PV trực tiếp tạo ra dòng điện, do đó sử dụng PV hiệu quả hơn nhiều so với việc sử dụng gương hội tụ trong các nhà máy nhiệt điện mặt trời.

Sự chuyển đổi năng lượng trong tế bào quang điện dựa trên hiệu ứng quang điện xảy ra trong các cấu trúc bán dẫn không đồng nhất khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.

Sự không đồng nhất trong cấu trúc của tế bào quang điện có thể đạt được bằng cách: trộn cùng một chất bán dẫn với các tạp chất khác nhau (tạo liên kết pn), hoặc kết hợp các chất bán dẫn khác nhau, hoặc thay đổi thành phần hóa học của chất bán dẫn để tạo ra các chất bán dẫn khác nhau, hoặc nó có thể là sự kết hợp của các giải pháp trên.

Hiệu suất của quá trình chuyển hóa năng lượng phụ thuộc vào tính chất vật lý điện tử của cấu trúc bán dẫn cũng như tính chất quang học của tế bào quang điện, trong đó vai trò quan trọng nhất là quang điện.

Quang điện được hình thành do hiệu ứng quang điện bên trong chất bán dẫn khi chúng tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.

5. Hiệu suất PV

Nhờ tiến bộ kỹ thuật, hiệu quả của PV đã tăng lên nhanh chóng. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của PV trong điều kiện phòng thí nghiệm đã tăng đều đặn từ 18% (1970) lên 28,5% (đối với tinh thể silic) và 35% (đối với loại 2 lớp: gali arsenit và kháng gali).

Có hai loại PV được sử dụng ngày nay: PV tinh thể silic với mật độ 75% và PV phốt pho-25%. Sợi PV dày 1-2 µm có hiệu suất 16%, giá thành rất rẻ.

Các thông số làm việc của các loại PV được tính toán cho nhiệt độ không khí xung quanh khoảng 25oC.

Tổn thất không thể đảo ngược (hoặc hiệu suất chuyển đổi năng lượng) trong PV liên quan đến:

  • Sự phản xạ bức xạ mặt trời từ bề mặt PV.
  • Khả năng một phần bức xạ đi qua tế bào quang điện mà không bị tế bào quang điện hấp thụ.
  • Tán xạ do dao động nhiệt của chùm phôtôn thừa năng lượng.
  • Sự tái hợp của các cặp phôtôn trên bề mặt và trong lòng của tế bào quang điện.
  • Trở kháng bên trong của bộ biến đổi và một số quá trình vật lý khác.

Để giảm thiểu các loại tổn thất, người ta thường áp dụng các giải pháp sau:

  • Sử dụng chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm tối ưu cho bức xạ mặt trời.
  • Cải thiện các đặc tính của cấu trúc bán dẫn bằng cách tối ưu hóa hợp kim và tạo ra điện trường tổng hợp.
  • Chuyển đổi cấu trúc từ đồng nhất sang không đồng nhất và pha tạp.
  • Tối ưu hóa các thông số thiết kế của tế bào quang điện (độ sâu của tiếp giáp p-n, độ dày của lớp đế, tần số của lưới tiếp xúc, v.v.).
  • Sử dụng màng phủ quang học đa chức năng tự làm sạch, tự điều nhiệt và bảo vệ tế bào quang điện khỏi bức xạ vũ trụ.
  • Thiết kế tế bào quang điện trong suốt trong vùng sóng dài của quang phổ mặt trời phía sau ranh giới của dải hấp thụ chính.
  • Tạo ra các tế bào quang điện phân lớp (xếp tầng) từ các chất bán dẫn được chọn lọc đặc biệt theo độ rộng của vùng cấm, cho phép chuyển đổi theo từng tầng của bức xạ đi qua tầng trước đó.

Ngoài ra, hiệu quả của tế bào quang điện còn được nâng cao nhờ: chế tạo bộ chuyển đổi với độ nhạy hai mặt (lên đến + 80% so với loại một mặt hiện có) sử dụng các cấu trúc phát quang-tái phát quang, sử dụng thấu kính Frenel để tách quang phổ ban đầu của mặt trời thành 2 hoặc nhiều vùng bằng bộ phân chia ánh sáng nhiều lớp bằng phim chuyển đổi từng vùng quang phổ bằng các ô riêng biệt, v.v.

Hy vọng bài viết này sẽ hỗ trợ các bạn có thể hệ thống lại kiến thức của mình cũng như có kiến thức tổng quan hơn về tế bào quang điện.

Nói chung, xét về mặt môi trường, năng lượng mặt trời là an toàn nhất trong tất cả các nguồn năng lượng.

Khi xét đến nguồn cung cấp bức xạ mặt trời có sẵn hầu như vô tận, chắc chắn nhiều chuyên gia xem nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng đầy hứa hẹn nhất cho tương lai.

Hãy liên hệ Việt Nam Solar qua các phương thức:

  • Email: lienhe@vietnamsolar.vn
  • Hotline: 6060.660

Để được trải nghiệm dịch vụ tư vấn cũng như những phương án tốt nhất cho hệ thống năng lượng mặt trời của bạn.

Trả lời