Pin năng lượng mặt trời là gì?

Pin năng lượng mặt trời được cấu tạo từ các tế bào quang điện, một tập hợp khoảng 60-72 tế bào sẽ ghép thành một tấm pin tiêu chuẩn, việc tạo ra dòng điện dựa vào ánh sáng mặt trời nên lượng điện sản sinh sẽ phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mặt trời (cường độ bức xạ mặt trời) chiếu lên nó.

---

Các nội dung chính trong bài này:

1. Pin năng lượng mặt trời là gì?
2. Lịch sử phát triển của pin năng lượng mặt trời
3. Nền tảng khoa học để chế tạo pin mặt trời
4. Nguyên lý chuyển đổi ánh sáng
5. Vật liệu và hiệu suất pin năng lượng mặt trời
6. Lợi ích của pin năng lượng mặt trời

---

Pin năng lượng mặt trời là gì?

Pin năng lượng mặt trời là tấm pin tập hợp nhiều tế bào quang điện (solar cells) được tạo thành từ chất bán dẫn và chứa trên bề mặt rất nhiều diot quang học, có tác dụng chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng

 

Lịch sử phát triển của pin năng lượng mặt trời

Năm 1839, một nhà vật lý người Pháp đã phát hiện ra hiệu ứng quang điện tại phòng thí nghiệm của cha mình, tuy nhiên pin năng lượng được tạo thành chính thức vào năm 1883 bởi Charles Fritts, thiết bị chỉ đạt hiệu suất chuyển đổi 1%. Vào năm 1888, một nhà khoa học người Nga đã tạo ra tấm pin đầu tiên dựa vào hiệu ứng quang điện.

Năm 1905, nhà bác học Albert Einstein đã giải thích được hiệu ứng quang điện, sau cùng người được xem là đã tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên trên thế giới Russel Ohl vào năm 1946 và được phát triển áp dụng trong đời sống bởi Gerald Pearson, Calvin Fuller và Daryl Chapin.

Năm 1958, vệ tinh Vanguard 1 được phóng vào không gian sử dụng pin mặt trời để cung cấp năng lượng hoạt động, nhờ sự kiện này, pin năng lượng mặt trời được quan tâm đặc biệt

 

Nền tảng khoa học để chế tạo pin mặt trời

Cơ sở chế tạo pin năng lượng mặt trời dựa hoàn toàn vào lý thuyết nền tảng vật lý bán dẫn và hiện tượng quang điện.

Các pin năng lượng phổ biến hiện nay được chế tạo bằng tinh thể silic dạng đa tinh thể, nguyên tố này thuộc nhóm IV-A trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học và phổ biến thứ 2 sau oxy, có 4 electron lớp ngoài cùng. Silic là chất bán dẫn, nên ở thể rắn, tính chất dẫn điện của nó sẽ phụ thuộc vào mức năng lượng (năng lượng photon từ ánh sáng) nhận được (lý thuyết cơ học lượng tử) để kích thích các electron ở lớp N tách khỏi vị trí của nó và để lại một lỗ trống di chuyển về lớp P, lúc này electron có thể di chuyển tự do, hiện tượng này tiếp diễn liên tục khi có nguồn ánh sáng chiếu vào sẽ hình thành dòng chảy electron (dòng điện)
Xem video

 

Nguyên lý chuyển đổi ánh sáng

Ánh sáng mặt trời (ánh sáng trắng) bao gồm 7 ánh sáng cơ bản có bước song khác nhau hợp thành và mang mức năng lượng khác nhau, năng lượng này từ các hạt photon chiếu vào tấm silic sẽ xảy ra 2 trường hợp:

• Nếu năng lượng photon thấp hơn năng lượng đủ để đẩy bật electron (dưới mức giới hạn quang điện) thì photon sẽ xuyên qua silic và không được hấp thụ.
• Nếu năng lượng photon lớn hơn hoặc bằng mức năng lượng đủ để bật electron khỏi liên kết nguyên tử silic và trở thành electron tự do di chuyển trong bán dẫn silic -> hình thành dòng điện

Điều đáng nói là hầu hết năng lượng mặt trời đều được silic hấp thụ nên người ta xem vật liệu này là tối ưu để chế tạo pin năng lượng mặt trời.

 

Vật liệu và hiệu suất pin năng lượng mặt trời

Các vật liệu dùng chế tạo pin mặt trời có rất nhiều, gồm cả kim loại và phi kim, nhưng trong quá trình chế tạo và thương mại hóa, người ta sẽ đặt ra 2 tiêu chí đánh giá, đó là hiệu suất và giá cả.

Hiệu suất ở đây là hiệu suất chuyển đổi: Là tỉ lệ chuyển đổi của tấm pin từ bức xạ mặt trời thành điện năng, hiệu suất này thay đổi từ 6%-30% hoặc cao hơn nữa từ vật liệu silic

Giá của hệ thống cung cấp điện mặt trời phụ thuộc chủ yếu vào giá thành tấm pin năng lượng mặt trời, ở các vùng có lượng bức xạ mặt trời thấp, buộc phải sử dụng tấm pin có hiệu suất chuyển đổi cao hơn, theo đó thì giá thành cũng cao hơn, còn ở vùng có bức xạ mặt trời mạnh hơn thì sử dụng tấm pin rẻ hơn do hiệu suất chuyển đổi thấp hơn

Vật liệu để chế tạo pin năng lượng mặt trời hiện nay là silic dạng tinh thể, trong đó người ta chia làm 3 loại pin:

• Pin năng lượng mặt trời đơn tinh thể (mono), loại có hiệu suất chuyển đổi cao nhất lên đến 16%, loại này đắt tiền nhất do được cắt trực tiếp từ các khối tinh thể silic hình ống
• Pin năng lượng mặt trời đa tinh thể (poly), được làm từ silic nung chảy và phủ thành lớp liền nhau không chia khối như đơn tinh thể, hiệu suất chuyển đổi của pin dạng này thấp hơn đơn tinh thể, tuy nhiên mật độ phủ của nó cao hơn tấm mono trong cùng một diện tích nên bù lại về sản lượng điện
• Pin năng lượng mặt trời dạng mỏng (thin-film), miếng phim này cũng được làm từ silic nung chảy đa tinh thể, đây là loại có hiệu suất thấp nhất và giá thành cũng thấp nhất

Mô tả tấm pin năng lượng mặt trời dạng mono và poly

 

Tấm pin năng lượng mặt trời dạng mỏng (PV thin-firm)

 

Lợi ích của pin năng lượng mặt trời

• Hấp thụ năng lượng mặt trời để chuyển đổi thành điện năng nên được xem như thiết bị tạo ra nguồn năng lượng xanh
• Pin năng lượng mặt trời làm từ silic, nguyên tố phổ biến thứ 2 trên trái đất chỉ sau Oxy, có thể tái chế để sử dụng lại cho sản xuất pin hoặc phục vụ mục đích khác, thân thiện với môi trường, là ứng viên sáng giá nhất thay thế cho nguồn nguyen liệu hóa thạch đang dùng để sản xuất điện gây tác động xấu tới môi trường