Pin Mặt Trời

Pin năng lượng mặt trời( hay pin quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n , duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện năng sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.

Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng. Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước... Pin năng lượng mặt trời( tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện.

lịch sử

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts , ông phủ lên mạch bán dẫn selenium một lớp cực mỏng vàng(gold) 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 đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.

Nền tảng

Để tìm hiểu về pin mặt trời, thì cần một ít lý thuyết nền tảng về vật lý chất bán dẫn. Để đơn giản, mô tả sau đây chỉ giới hạn hoạt động của một pin năng lượng tinh thể silicon.

Silicon thuộc nhóm 4. Tức là có 5 electron lớp ngoài cùng. Silicon có thể kết hợp với silicon khác để tạo nên chất rắn. Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, đa thù hình( không có trật tự sắp xếp) và tinh thể( các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều). Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng đa tinh thể silicon.

Silicon là chất bán dẫn. Tức là thể rắn silicon, tại một tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và một 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 cơ học lượng tử.

Nhiệt độ phòng, Silicon nguyên chất có tính dẫn điện kém. Trong cơ học lượng tử, giải thích thất tế tại mức năng lượng Fermi trong tầng trống. Để tạo ra silicon có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học. Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silicon trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silicon bên cạnh tương tự như là một silicon. Tuy nhiên các phân tử nhóm 3 có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm 5 có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron. Vì thế các electron thừa hay thiếu electron( gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể, chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể. Silicon kết hợp với nguyên tử nhóm 3( nhôm hay gali) được gọi là loại sillicon p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương, trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm 5 (photpho , asen) gọi là loại n-silicon vì mang năng lượng âm(negative). Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại silicon n , loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p.

Vật liệu và hiệu suất

Nhiều lọai vật liệu khác nhau được thử nghiệm cho pin mặt trời. Và hai tiêu chuẩn, hiệu suất và giá cả.

hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời. Vào buổi trưa một ngày trời trong, ánh mặt trời tỏa nhiệt khỏang 1000 W/m2. trong đó 10% hiệu suất của 1 module 1 mét vuông cung cấp năng lượng khoảng 100W. hiệu suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ sillicon không thù hình, và có thể lên đến( rất cao) 30% hay cao hơn nữa, sử dụng pin có nhiều mối nối nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.

Có nhiều cách để nói đến giá vả của hệ thống tạo điện, là tính toán cụ thể trên từng kilo Watt giờ(kWh). Hiệu suất của pin mặt trời kết hợp với sự bức xạ là 1 yếu tố quyết định trong giá thành, nói chung hiệu suất của toàn hệ thống là tầm quan trọng của nó. Để tạo nên ứng dụng thực sự của pin tích hợp năng lượng, điện năng tạo nên nối với mạn lưới điện sử dụng inverter; trong các phương tiện di chuyển, hệ thống ắc quy sử dụng để lưu trữ nguồn năng lượng không sử dụng hiện tại. Các pin năng lượng thương mại và hệ thống công nghệ có hiệu suất từ 5% đến 15%. Giá thàng của điện từ 50 Eurocent/ kWh (Trung Âu) cuống tới 25 eurocent/ kWh trong vùng có ánh mặt trời nhiều.

Cho tới hịên tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời ( và cho các thiết bị bán dẫn) là các silicon tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silicon chia ra thành 3 loại:

• 1 tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể lọai này có hiệu súât tới 16%. Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.

• Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ các silicon nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Bù lại chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu súât thấp của nó

• Dải silicon tạo từ các miếng fim mỏng từ các silicon nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể, Lọai này thường là có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên lọai này tiết kiệm nhất trong các lọai vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.

Công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các lọai trên có độ dày 300micromet tạo thành và xếp lại để tạo nên module.