Vậy Năng lượng mặt trời dùng để làm gì? Tấm pin năng lượng mặt trời có cấu tạo thế nào ? Nguyên lý pin năng lượng mặt trời hoạt Ä‘á»™ng nhÆ° thế nào? Nó biến ánh sáng mặt trời quang năng thành Ä‘iện năng ra sao?

Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời

Hãy cùng chúng tôi cùng tìm hiểu ngọn ngành các bạn nhé.

Cấu tạo và vật liệu cấu thành nên tấm pin năng lượng mặt trời Solar Panel

Cấu tạo các lá»›p của pin mặt trời

Vât liệu cấu thành pin mặt trời

Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang Ä‘iện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang Ä‘iện (solar cells) – là phần tá»­ bán dẫn có thành phần chính là sillic tinh khiết – có chứa trên bề mặt má»™t số lượng lá»›n các cảm biến ánh sáng là Ä‘iốt quang, thá»±c hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng Ä‘iện. Các tế bào quang Ä‘iện này được bảo vệ bởi má»™t tấm kính trong suốt ở mặt trÆ°á»›c và má»™t vật liệu nhá»±a ở phía sau. Toàn bá»™ nó được Ä‘óng gói chân không trong thông qua lá»›p nhá»±a polymer càng trong suốt càng tốt.Cường Ä‘á»™ dòng Ä‘iện, hiệu Ä‘iện thế hoặc Ä‘iện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuá»™c bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Tế bào quang Ä‘iện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang Ä‘iện trên má»™t tấm pin mặt trời).

Cho tá»›i hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

• Má»™t tinh thể hay Ä‘Æ¡n tinh thể module sản xuất dá»±a trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tá»›i 16%. Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm Ä‘Æ¡n thể này có các mặt trống ở góc nối các module.

• Đa tinh thể làm từ các thỏi Ä‘úc-Ä‘úc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguá»™i và làm rắn. Các pin này thường rẻ hÆ¡n các Ä‘Æ¡n tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hÆ¡n. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hÆ¡n Ä‘Æ¡n tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.

• Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc Ä‘a tinh thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.

Công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các lọai trên có Ä‘á»™ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module.

Cấu trúc các lá»›p bên trong pin năng lượng mặt trời Solar Panel

Lá»›p tế bào quang Ä‘iện Solar Cells bên trong

NhÆ° Ä‘ã nói ở trên, Các tế bào quang Ä‘iện là thành phần chính và có chức năng hấp thu ánh sáng mặt trời quang năng và biến đổi thành Ä‘iện năng.
Các tế bào tinh thể Silics này có thể là Ä‘Æ¡n tinh thể (goi là Pin Mono) hoặc Ä‘a tinh thể (Gọi là Pin Poly), tùy theo quy trình sản xuất của từng hãng pin mặt trời .
Các đặc tính kỹ thuật chính là: kích thÆ°á»›c, màu sắc, số lượng tế bào – Cells pin và quan trọng hÆ¡n hết là hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời.
Hiện nay , các tế bào Cells pin phổ biến nhất là các tế bào Ä‘a tinh thể Poly vá»›i hiệu suất chuyển hóa khoảng 17,6%, tạo ra má»™t pin mặt trời 250W vá»›i 60 cells. Các tế bào Cells này được liên kết vá»›i nhau bằng má»™t dây đồng mỏng được phủ má»™t hợp kim thiếc.

Lá»›p kính trÆ°á»›c của pin mặt trời:

Phần Kính mặt trÆ°á»›c của pin mặt trời là phần nặng nhất . Nó có chức năng bảo vệ và đảm bảo Ä‘á»™ bền cho toàn bá»™ tấm pin mặt trời, duy trì Ä‘á»™ trong suốt cao. Độ dày của lá»›p này thường là 3,3mm nhÆ°ng nó có thể dao Ä‘á»™ng từ 2 mm đến 4mm tùy thuá»™c vào loại kính mà hãng sản xuất pin Ä‘ó chọn. Điều quan trọng là phải chú ý đến các yếu tố nhÆ° chất lượng Ä‘á»™ cứng, Ä‘á»™ truyền quang phổ và truyền ánh sáng. Pin càng tốt thì lá»›p kính trÆ°á»›c này hấp thu ánh sáng Ä‘i qua tốt hÆ¡n , phản xạ ánh sáng ít hÆ¡n.

Tấm nền của pin

Tấm nền mặt sau của pin mặt trời được làm từ má»™t vật liệu nhá»±a có chức năng cách ly Ä‘iện, bảo vệ và che chắn các tế bào PV khỏi thời tiết và Ä‘á»™ ẩm. Tấm đặc biệt này thường có màu trắng và được bán ở dạng cuá»™n hoặc tấm. Các loại pin các hãng khác nhau có thể khác nhau về Ä‘á»™ dày, màu sắc và sá»± hiện diện của các vật liệu cụ thể để che chắn tốt hÆ¡n hoặc cho Ä‘á»™ bền cÆ¡ học cao hÆ¡n.

Vật liệu Ä‘óng gói hoàn thiện Pin mặt trời

Má»™t trong những vật liệu quan trọng nhất là chất liệu Ä‘óng gói – là chất kết dính giữa các lá»›p khác nhau của pin mặt trời. Vật liệu phổ biến nhất được sá»­ dụng làm chất Ä‘óng gói là EVA – Ethylene vinyl acetate. Nó là má»™t polymer đục mờ được Ä‘óng theo cuá»™n. Nó phải được cắt thành tấm và nằm trÆ°á»›c và sau các tế bào quang Ä‘iện. Khi chịu má»™t quá trình nhiệt của nấu chân không, loại polymer đặc biệt này trở đăc lại thành keo trong suốt và kết dính các tế bào quang Ä‘iện. Chất lượng của quá trình này, được gọi là cán màng, đảm bảo tuổi thọ cao cho chính tấm pin Ä‘ó, đồng thời có ảnh hưởng đến việc truyền ánh sáng, tốc Ä‘á»™ xá»­ lý và khả năng chống lại màu vàng do tia UV.

Khung tấm pin mặt trời

Má»™t trong những phần cuối cùng được lắp ráp pin mặt trời là khung. Nó thường được làm bằng nhôm và có chức năng đảm bảo Ä‘á»™ bền cho tấm pin.
Đối vá»›i các trường hợp sá»­ dụng đặc biệt, cÅ©ng có sẵn các tấm pin không khung hoặc các giải pháp nhá»±a đặc biệt. Những giải pháp này thường liên quan đến việc sá»­ dụng các dung dịch há»— trợ dán ở phía sau vá»›i công nghệ kính thủy tinh.

Hộp đựng mối nối mạch điện

Há»™p nối có chức năng Ä‘Æ°a các mối nối Ä‘iện của mô Ä‘un pin mặt trời ra bên ngoài.
Nó chứa các dây cáp để kết nối các tấm trong hệ thống. Khi chọn há»™p Nối, chúng ta nên chú ý đến chất lượng nhá»±a, Ä‘á»™ tốt của khá»›p nối.

Nguyên lý hoạt Ä‘á»™ng tạo ra dòng Ä‘iện của tấm pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang Ä‘iện, tế bào quang Ä‘iện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lá»›n các diod p-n, duá»›i sá»± hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng Ä‘iện sá»­ dụng được. Sá»± chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang Ä‘iện.

Lịch sử hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang Ä‘iện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 má»™t pin năng lượng má»›i được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen má»™t lá»›p cá»±c mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946. Sven Ason Berglund Ä‘ã có phÆ°Æ¡ng pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.

Nền tảng vật lý chất bán dẫn

Để tìm hiểu về pin mặt trời, thì cần má»™t ít lý thuyết nền tảng về vật lý chất bán dẫn. Để Ä‘Æ¡n giản, miêu tả sau Ä‘ây chỉ giá»›i hạn hoạt Ä‘á»™ng của má»™t pin năng lượng tinh thể silic.

Silic thuá»™c nhóm IV, tức là có 4 electron lá»›p ngoài cùng. Silic có thể kết hợp vá»›i silicon khác để tạo nên chất rắn. CÆ¡ bản có 2 loại chất rắn silicon, Ä‘a thù hình (không có trật tá»± sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tá»­ sắp xếp theo thứ tá»± dãy không gian 3 chiều). Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng Ä‘a tinh thể silicon.

Silic là chất bán dẫn. Tức là thể rắn silic, tại má»™t tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và má»™t số tầng năng lượng khác thì không được. Các tầng năng lượng không được phép này xem là tầng trống. Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cÆ¡ học lượng tá»­.

Ở nhiệt Ä‘á»™ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn Ä‘iện kém. Trong cÆ¡ học lượng tá»­, giải thích thất tế tại mức năng lượng Fermi trong tầng trống. Để tạo ra silic có tính dẫn Ä‘iện tốt hÆ¡n, có thể thêm vào má»™t lượng nhỏ các nguyên tá»­ nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học. Các nguyên tá»­ này chiếm vị trí của nguyên tá»­ silic trong mạng tinh thể, và liên kết vá»›i các nguyên tá»­ silic bên cạnh tÆ°Æ¡ng tá»± nhÆ° là má»™t silic. Tuy nhiên các phân tá»­ nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tá»­ nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên có chá»— trong mạng tinh thể có dÆ° electron còn có chá»— thì thiếu electron. Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lá»— trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể. Chúng có thể tá»± do di chuyển trong khối tinh thể. Silic kết hợp vá»›i nguyên tá»­ nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang Ä‘iện tích dÆ°Æ¡ng (positive), trong khi phần kết hợp vá»›i các nguyên tá»­ nhóm V (phốt pho, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative). LÆ°u ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dÆ°Æ¡ng và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tÆ°Æ¡ng tá»± ngược lại vá»›i loại p.

Sá»± chuyển đổi ánh sáng quang Ä‘iện thành Ä‘iện năng

Nguyên lý hoạt Ä‘á»™ng của Pin mặt trời

Khi má»™t photon chạm vào mảnh silic, má»™t trong hai Ä‘iều sau sẽ xảy ra:

1. Photon truyền trá»±c xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hÆ¡n năng lượng đủ để Ä‘Æ°a các hạt electron lên mức năng lượng cao hÆ¡n.
2. Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lá»›n hÆ¡n năng lượng để Ä‘Æ°a electron lên mức năng lượng cao hÆ¡n.

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể. Thông thường các electron này lá»›p ngoài cùng, và thường được kết dính vá»›i các nguyên tá»­ lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích, trở thành dẫn Ä‘iện, các electron này có thể tá»± do di chuyển trong bán dẫn. Khi Ä‘ó nguyên tá»­ sẽ thiếu 1 electron và Ä‘ó gọi là “lá»— trống”. Lá»— trống này tạo Ä‘iều kiện cho các electron của nguyên tá»­ bên cạnh di chuyển đến Ä‘iền vào “lá»— trống”, và Ä‘iều này tạo ra lá»— trống cho nguyên tá»­ lân cận có “lá»— trống”. Cứ tiếp tục nhÆ° vậy “lá»— trống” di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.

Má»™t photon chỉ cần có năng lượng lá»›n hÆ¡n năng luợng đủ để kích thích electron lá»›p ngoài cùng dẫn Ä‘iện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tÆ°Æ¡ng Ä‘Æ°Æ¡ng 6000°K, vì thế nên phần lá»›n năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hÆ¡n là năng lượng Ä‘iện sá»­ dụng được.

Nguồn: Wiki, Vogiasolar