Tin tức
CÁC LOẠI PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HIỆN NAY
16
Th5
Th5
Pin năng lượng Mặt trời ( pin quang điện, tế bào quang điện) là phần tử bán dẫn quang có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng là các dạng diod p-n, dùng biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
Các Pin năng lượng Mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng Mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có thể đó ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. Các tấm pin Mặt Trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như cây xanh hướng về ánh sáng Mặt Trời.
Đã có nhiều loại vật liệu khác nhau được thử nghiệm chế tạo pin Mặt trời. Có hai tiêu chuẩn đánh giá, là hiệu suất và giá cả.
Hiệu suất là tỉ số giữa năng lượng điện từ và năng lượng ánh sáng Mặt trời. Vào buổi trưa một ngày trời trong, ánh Mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m². trong đó 10% hiệu suất của 1module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W. hiệu suất của pin Mặt trời thay đổi từ 6% từ pin Mặt trời làm từ silic không thù hình, và có thể lên đến 30% hay cao hơn nữa.
Có nhiều cách để nói đến giá cả của hệ thống cung cấp điện (chính xác là phát điện), là tính toán cụ thể giá thành sản xuất trên từng kilo Watt giờ điện (kWh). Hiệu năng của pin Mặt trời tạo dòng điện với sự bức xạ của Mặt trời là 1 yếu tố quyết định trong giá thành. Nói chung, với toàn hệ thống, là tổ hợp các tấm pin Mặt trời, thì hiệu suất là rất quan trọng. Và để tạo nên ứng dụng thực tế cho pin năng lượng, điện năng tạo nên có thể nối với mạng lưới điện sử dụng dạng chuyển đổi trung gian; trong các phương tiện di chuyển, thường sử dụng hệ thống ắc quy để lưu trữ nguồn năng lượng chưa sử dụng đến. Các pin năng lượng thương mại và hệ thống công nghệ cho nó có hiệu suất từ 5% đến 15%. Giá của 1 đơn vị điện từ 50 Eurocent/kWh (Trung Âu) giảm xuống tới 25 eurocent/kWh trong vùng có ánh Mặt trời nhiều.Ngày nay thì vật liệu chủ yếu chế tạo pin Mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là silic dạng tinh thể. Nền tảng chế tạo dựa trên Công nghệ sản suất tấm mỏng, có độ dày 300 μm và xếp lại để tạo nên các module tạo thành các loại pin trên.
Các loại pin mặt trời hiện nay
Pin Mặt trời từ tinh thể silic là loại pin mặt trời phổ biến nhất hiện nay, pin mặt trời silic có 3 loại như sau:
Một tinh thể hay tinh thể đơn (module) sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi silic 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 silic 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. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn 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 đa 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.
Cấu tạo của loại pin mặt trời tinh thể silic
Vật liệu xuất phát để làm pin Mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết. Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt tải là lỗ trống (hole) như nhau. Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p – n.
Xuất phát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử Si để tiếp xúc p – n, người ta phải pha thêm vào một ít nguyên tử khác loại, gọi là pha tạp. Nguyên tử Si có 4 electron ở vành ngoài, cùng dùng để liên kết với bốn nguyên tử Si gần đó (cấu trúc kiểu như kim cương). Nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử phôt-pho P có 5 electron ở vành ngoài, electron thừa ra không dùng để liên kết nên dễ chuyển động hơn làm cho bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện electron, tức là bán dẫn loại n (negatif – âm). Ngược lại nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử bo B có 3 electron ở vành ngoài, tức là thiếu một electron mới đủ tạo thành 4 mối liên kết nên có thể nói là tạo thành lỗ trống (hole). Vì là thiếu electron nên lỗ trống mạng điện dương, bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện lỗ trống, tức là bán dẫn loại p (positif -dương). Vậy trên cơ sở bán dẫn tinh khiết có thể pha tạp để trở thành có lớp là bán dẫn loại n, có lớp bán dẫn loại p, lớp tiếp giáp giữa hai loạị chính là lớp chuyển tiếp p – n. Ở chỗ tiếp xúc p – n này một ít electron ở bán dẫn loại n chạy sang bán dẫn loại p lấp vào lỗ trống thiếu electron, ở đó. Kết quả là ở lớp tiếp xúc p-n có một vùng thiếu electron cũng thiếu cả lỗ trống, người ta gọi đó là vùng nghèo. Sự dịch chuyển điện tử để lấp vào lỗ trống tạo ra vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp xúc p – n, đối với Si vào cỡ 0,6V đến 0,7V. Đây là hiệu thế sinh ra ở chỗ tiếp xúc không tạo ra dòng điện được.
Hoạt động của loại pin mặt trời tinh thể silic
Silicon được biết đến là một chất bán dẫn. “Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng”. Với tính chất như vậy, silicon là một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời.
Ánh sáng mặt trời bao gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon được tỏa ra từ mặt trời. Khi va chạm với các nguyên tử silicon của pin năng lượng mặt trời, những hạt photon truyền năng lượng của chúng tới các electron rời rạc, kích thích làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu electron.
Tuy nhiên giải phóng các electron chỉ mới là một nửa công việc của pin năng lượng mặt trời, sau đó nó cần phải dồn các electron rải rác này vào một dòng điện. Điều này liên quan đến việc tạo ra một sự mất cân bằng điện trong pin mặt trời, có tác dụng giống như xây một con dốc để các electron chảy theo cùng một hướng.
Sự mất cân bằng này có thể được tạo ra bởi tổ chức bên trong của silicon. Nguyên tử silicon được sắp xếp cùng nhau trong một cấu trúc ràng buộc chặt chẽ. Bằng cách ép một số lượng nhỏ các nguyên tố khác vào cấu trúc này, sẽ có hai loại silicon khác nhau được tạo ra: loại n và loại p. Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm – Negative) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính. Chất bán dẫn loại p (bán dẫn dương – Positive) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống.
Khi hai loại bán dẫn này được đặt cạnh nhau trong một pin năng lượng mặt trời, electron dẫn chính của loại n sẽ nhảy qua để lấp đầy những khoảng trống của loại p. Điều này có nghĩa là silicon loại n tích điện dương và silicon loại p được tích điện âm, tạo ra một điện trường trên pin mặt trời. Vì silicon là một chất bán dẫn nên có thể hoạt động như một chất cách điện và duy trì sự mất cân bằng này.
Khi làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử silicon, photon trong ánh sáng mặt trời đưa các electron này vào một trật tự nhất định, cung cấp dòng điện cho máy tính, vệ tinh và tất cả các thiết bị ở giữa.
Tuy nhiên pin Mặt trời silic có một số hạn chế về kinh tế, kỹ thuật.
– Vật liệu xuất phát là silic tinh khiết nên rất đắt. Ban đầu là làm từ silic đơn tinh thể dùng trong công nghệ vi điện tử, tuy chỉ là dùng đầu thừa đuôi thẹo nhưng giá vẫn là khá cao. Đã có những cách dùng silic đa tinh thể, silic vô định hình tuy hiệu suất thấp hơn nhưng bù lại giá rẻ hơn. Nhưng xét cho cùng thì vật liệu silic sử dụng phải là tinh khiết nên giá thành rẻ hơn không nhiều.
– Đối với silic, để đưa electron từ miền hoá trị lên miền dẫn phải tốn năng lượng cỡ 1,1 eV. Vậy năng lượng của photon đến phải bằng hoặc cao hơn 1,1eV một chút là đủ để kích thích eletron nhảy lên miền dẫn, từ đó tham gia tạo thành dòng điện của pin Mặt trời. Photon ứng với năng lượng 1,1 eV có bước sóng cỡ 1 m tức là hồng ngoại. Vậy photon có các bước sóng lục, lam, tử ngoại là có năng lượng quá thừa thãi để kích thích điện tử của Si nhảy lên miền dẫn. Do đó pin Mặt trời Si sử dụng lãng phí năng lượng Mặt trời để biến ra điện.
Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye – sensitized solar cell)
DSC là một loại pin Mặt trời mới, giá rẻ, dễ làm. Loại pin này do Michael Gratzel ở trường Bách khoa Lausane (Thuỵ Sĩ) chế tạo lần đầu vào năm 1991 nên còn có tên là pin Gratzel. Cấu tạo nguyên thuỷ của pin DSC gồm ba phần chính (hình 2). Trên cùng là một lớp mỏng chất dẫn điện trong suốt, đóng vai trò anôt làm bằng oxyt thiếc pha tạp fluo (SnO2: F). Lớp này phủ lên tấm thuỷ tinh trong suốt. Tiếp đó là một lớp có diện tích bề mặt rất lớn. Lớp dẫn điện SnO2: F và lớp hạt bột oxyt titan TiO2 được nhúng vào hỗn hợp chất màu nhạy quang ruthenium -polypyridin và dung môi. Sau khi nhúng, một lớp mỏng chất màu nhạy quang bám dính vào các hạt TiO2 bằng liên kết cộng hoá trị. Tiếp đó mặt sau được tráng bằng một lớp mỏng chất điện ly iôt và đậy kín bằng tấm điện cực kim loại, thường là platin. Toàn bộ được dán kín sao cho dung dịch không bị rò chảy ra.
Pin DSC hoạt động như sau: ánh sáng Mặt trời qua tấm kính, qua lớp điện cực trong suốt SnO2:F chiếu vào chất màu nhạy quang dính trên bề mặt các hạt TiO2. Photon kích thích các phân tử chất màu nhạy quang làm cho electron ở đó bị bứt ra nhảy vào miền dẫn của TiO2 rồi từ đó dễ dàng chuyển động chạy về điện cực trong suốt ở phía trên. Khi bị mất electron để nhận thêm cho phân tử không bị phân huỷ. Phân tử chất màu nhạy quang bèn lấy electron của iôt ở dung dịch điện phân, biến anion iôt một I- thành anion iôt ba I3- . Các anion iôt này khi tiếp xúc với điện cực kim loại sẽ lấy lại electron từ điện cực trong suốt qua mạch ngoài chạy về điện cực kim loại. Như vậy đã thực hiện cơ chế photon kích thích làm cho electron nhảy lên, đến điện cực trong suốt rồi qua mạch ngoài chạy về điện cực kim loại tạo ra dòng điện.
Vì nhiều lí do, hiệu suất của loại pin này chỉ vào cỡ 11% thấp hơn hiệu suất của pin Mặt trời silic (12 – 15%). Tuy nhiên ưu điểm rõ rệt của loại pin này là:
– Vật liệu chế tạo rẻ, dễ kiếm. Đặc biệt TiO2 là chất bột trắng hay dùng để làm sơn trắng rất phổ biến.
– Kỹ thuật chế tạo đơn giản, không phải cần máy móc cao cấp đắt tiền như ở trường hợp pin Mặt trời silic. Thậm chí có thể làm pin mặt trời kiểu này theo cách thủ công.
– Dễ dàng cải tiến nhiều khâu kỹ thuật, nhất là ứng dụng công nghệ nano để làm bột TiO2 có diện tích mặt ngoài cực lớn. Nhược điểm của loại pin này là có chứa chất lỏng phải có các biện pháp chống rò rỉ khi dùng lâu. (Loại pin này tuổi thọ là 10 năm, bằng một nửa tuổi thọ của pin Mặt trời silic).
Hiện nay đã có nhiều cải tiến đối với chất màu nhạy quang làm cho ánh sáng thuộc nhiều bước sóng trong phổ ánh sáng Mặt trời đều dễ dàng bị hấp thụ để kích thích làm thoát điện tử tạo ra dòng điện. Nhờ đó, khác với pin Mặt trời silic, loại pin Mặt trời mới này vẫn hoạt động tốt khi nắng yếu, đặc biệt là hoạt động với ánh sáng trong nhà.
Pin mặt trời dạng keo nước (Lá nhân tạo)
Pin mặt trời dạng keo nước còn được gọi là Lá nhân tạo. Đây là loại Pin mặt trời có thể uốn cong, có thành phần là keo nước chứa các phân tử nhạy sáng kết hợp với các điện cực phủ chất liệu cacbon, ví dụ như ống nano cacbon hoặc than chì. Các phân tử nhạy sáng trở nên “kích động” khi ánh sáng mặt trời chiếu vào và sản sinh ra điện năng; cơ chế này tương tự như cơ chế kích thích tổng hợp đường để sinh trưởng của phân tử thực vật. Hiện tại, việc ứng dụng loại pin này vẫn chưa được công bố do hiệu suất hoạt động của pin vẫn còn thấp.
