Các tấm pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Đó là một quá trình phức tạp liên quan đến vật lý, hóa học và kỹ thuật điện. Với việc các tấm pin ngày càng trở thành một phần quan trọng trong cuộc chiến chống lại nhiên liệu hóa thạch, điều quan trọng là phải tìm hiểu cách tấm pin chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng có thể sử dụng được. Điều thú vị là, các khái niệm tương tự cho phép các tấm pin cung cấp năng lượng cho ngôi nhà của chúng ta cũng đang thúc đẩy cuộc cách mạng công nghệ. Bí mật nằm ở tấm wafer silicon, khối cấu tạo của thiết bị điện tử hiện đại.
Nói một cách đơn giản, ánh sáng mặt trời chiếu vào tấm pin và kích thích các electron trong tinh thể silicon. Các photon cung cấp cho các electron đủ năng lượng để di chuyển tự do qua silicon. Tấm silicon được pha tạp chất để tạo ra một điện trường tự nhiên, hướng chuyển động của các electron. Các dòng điện lưới kim loại (finger) trên solar cell thu nhận năng lượng điện và dẫn nó đến biến tần, sau đó vào nhà của bạn.
Mục lục
Năng lượng là gì?
Chúng ta cần năng lượng để làm việc. Cho dù đó là để di chuyển, trồng trọt hay cung cấp năng lượng cho ngôi nhà, cung cấp năng lượng cho thế giới. Năng lượng có thể có nhiều dạng, bao gồm ánh sáng, chuyển động, điện, phản ứng hóa học và nhiệt. Định luật đầu tiên của nhiệt động lực học phát biểu rằng năng lượng không thể được tạo ra hoặc bị phá hủy, chỉ thay đổi dạng. Điều này cố hữu đối với vấn đề về nhu cầu của con người, vì bản thân năng lượng rất dồi dào nhưng thường không tồn tại ở dạng có thể áp dụng trực tiếp.
Khi lắp đặt năng lượng mặt trời, chúng ta đang khai thác năng lượng ánh sáng từ mặt trời. Khi ánh sáng chiếu vào bề mặt vật liệu bán dẫn, một phản ứng sẽ xảy ra, phản ứng này chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Nhưng vì các tấm pin không hiệu quả 100%, một số năng lượng ánh sáng này sẽ trở thành nhiệt.
Khi năng lượng được chuyển đổi thành điện năng, các dòng điện lưới kim loại trên tấm pin sẽ mang điện ra khỏi và hướng đến bộ lưu trữ pin. Năng lượng sau đó được chuyển đổi thành năng lượng hóa học, nơi nó được lưu trữ cho đến khi sẵn sàng chuyển đổi trở lại thành điện năng sử dụng trong gia đình.
Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là thứ cho phép ánh sáng mặt trời được thu nhận và chuyển đổi thành năng lượng điện. Hiện tượng này được phát hiện bởi nhà vật lý người Pháp Edmond Becquerel vào năm 1839 khi ông đang thí nghiệm trong phòng thí nghiệm của cha mình với các điện cực bạch kim trong một dung dịch điện phân. Ông nhận thấy rằng khi chiếu ánh sáng vào dung dịch, dòng điện được tăng cường.
Ánh sáng được tạo ra từ các photon, mang năng lượng. Năng lượng trong một photon tỷ lệ với tần số ánh sáng. Hiệu ứng quang điện được kích hoạt khi các photon va vào bề mặt quang điện, bề mặt này sẽ hấp thụ năng lượng của photon và kích thích các electron bên trong vật liệu. Dòng điện được tạo ra khi kích thích đủ các electron. Tùy thuộc vào vật liệu, tần suất cần thiết để kích hoạt hiệu ứng có thể khác nhau. Trong các tấm pin quang điện, chất bán dẫn là môi trường quang điện được sử dụng để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng.
Chất bán dẫn
Chất bán dẫn là vật liệu dẫn điện nhiều hơn chất cách điện, như thủy tinh hoặc gỗ, nhưng kém hơn chất dẫn điện, như đồng hoặc vàng. Độ dẫn của chất bán dẫn có thể được thay đổi bằng cách pha tạp, hoặc thêm tạp chất, để đạt được giá trị dẫn phù hợp với nhu cầu của một ứng dụng cụ thể. Chúng có thể được tìm thấy trong máy tính, ô tô, điện thoại thông minh và thiết bị gia dụng. Silicon là chất bán dẫn phổ biến nhất, thường có dạng các tấm silicon. Sự ra đời của silicon kết tinh là động lực chính của cuộc cách mạng kỹ thuật số trong 50 năm qua, do đó người ta sử dụng thuật ngữ Thung lũng Silicon để chỉ Vùng Vịnh, nơi có các công ty công nghệ lớn nhất thế giới.
Các tấm wafer có thể được pha tạp tích cực (loại p) hoặc pha tạp âm (loại n). Loại p và loại n thậm chí có thể tồn tại trong cùng một tinh thể, đó là trường hợp của các tấm PV. Loại p có nguyên tử thiếu electron gọi là lỗ trống electron, loại n có nguyên tử thừa electron. Các electron và lỗ trống được gọi chung là hạt tải điện. Cả hai gặp nhau trong một lớp ranh giới bên trong tinh thể, được gọi là lớp tiếp giáp p-n.
Cấu trúc tinh thể của các tấm silicon là một phần không thể thiếu đối với chức năng của nó. Trong mạng tinh thể, các electron liên kết tại chỗ, không thể chuyển động tự do. Khi một nguồn năng lượng đầu vào kích thích các electron đến mức năng lượng đủ, chúng có thể phá vỡ tự do và di chuyển khắp cấu trúc mạng tinh thể. Các electron sau đó khuếch tán qua tiếp giáp pn, lấp đầy các lỗ trống và trung hòa cả hai hạt mang điện. Điều này tạo ra một vùng vật chất trung tính được gọi là vùng cạn kiệt.Cuối cùng, chuyển động về phía tiếp giáp pn đạt trạng thái cân bằng, và một điện trường hình thành xung quanh vùng suy giảm. Ranh giới phía n trở nên tích điện dương và ranh giới phía p trở nên tích điện âm, tạo ra một lực tác dụng ngược lại với chuyển động về phía tiếp giáp pn. Điều này làm dừng dòng electron qua tiếp giáp pn, và wafer vẫn ở trạng thái cân bằng này cho đến khi mức năng lượng trong hệ thay đổi.
Chất bán dẫn bị giới hạn bởi độ rộng vùng cấm của chúng, một dải năng lượng mà chuyển động của các electron sẽ không xảy ra. Năng lượng ánh sáng chiếu vào bề mặt của tấm pin phải nằm trên vùng cấm của chất bán dẫn, nếu không sẽ không sản xuất điện.
Cũng giống như trong lĩnh vực điện tử, silicon là chất bán dẫn phổ biến nhất cho các tấm pin mặt trời. Tấm silicon có ba loại:
- Monocrystalline (MonoSi)
- Polycrystalline (PolySi)
- Silicon định hình (a-Si)
Một số loại chất bán dẫn khác được sử dụng trong ngành công nghiệp PV, mặc dù chúng có xu hướng ít phổ biến hơn. Một số loại được liệt kê dưới đây.
- Cadmium Telluride (CdTe)
- Copper Indium Gallium Selenide (CIGS)
- Gallium Arsenide (GaAs)
Mặc dù bài viết này tập trung vào cơ chế hoạt động đằng sau các tấm pin mặt trời silicon, nhưng hầu hết các chất bán dẫn đều hoạt động trên các nguyên tắc giống nhau. Hãy xem bài viết này để tìm hiểu thêm về các loại tấm pin mặt trời và sự khác nhau của chúng
Ánh sáng mặt trời đến điện
Bây giờ chúng ta đã khám phá các khái niệm và quy trình khác nhau cho phép các tấm pin của bạn tạo ra điện, chúng ta hãy xem xét kỹ hơn những gì thực sự xảy ra bên trong mảng PV của bạn.
Bạn thức dậy vào buổi sáng, và mặt trời mọc trên đường chân trời. Khi bạn bắt đầu thói quen buổi sáng của mình, ánh sáng mặt trời sẽ phủ lên mái nhà của bạn, mang lại năng lượng cho ngôi nhà của bạn. Mặt trời có phổ năng lượng rộng và phát ra các photon trên một dải giá trị năng lượng lớn. Hãy nhớ rằng chất bán dẫn PV có khoảng cách vùng cấm và các photon chạm vào bề mặt tấm nền của bạn phải nằm trên vùng cấm để kích thích độ dẫn điện của vật liệu.
Một trong ba điều có thể xảy ra khi một photon tương tác với tấm năng lượng mặt trời của bạn:
- Các photon có thể bị phản xạ khỏi bề mặt của tấm pin
- Nếu mức năng lượng của photon nằm dưới vùng cấm, nó sẽ đi qua ngay tấm pin
- Nếu mức năng lượng của photon bằng hoặc trên vùng cấm, nó sẽ tương tác với chất bán dẫn.
Kiến trúc của pin mặt trời đóng một vai trò thiết yếu trong sự chuyển động của các electron. Lớp pha tạp n rất mỏng và được đặt ngay dưới tấm kính, bên trên lớp pha tạp p dày hơn nhiều. Điều này có nghĩa là ánh sáng mặt trời xuyên qua mặt n và đến điểm tiếp giáp p-n. Độ dày của mặt p tăng lên cũng tạo ra vùng suy giảm lớn hơn nhiều so với khi cả hai có kích thước bằng nhau. Năng lượng từ các photon được truyền cho các electron, tạo cho chúng năng lượng để di chuyển qua vùng suy giảm và sang phía p. Các điện tử tái kết hợp với các lỗ trống điện tử ở phía p, trong khi ánh sáng mặt trời kích thích vĩnh viễn các cặp lỗ trống điện tử mới trong vùng suy giảm. Chuyển động không ngừng này là nguồn của dòng điện. Silicon vẫn ở trạng thái tích điện này miễn là mặt trời chiếu vào bảng điều khiển. Khi mặt trời lặn, silic trở lại trạng thái cân bằng và vùng suy giảm trở lại chiều rộng ban đầu.
Trong khi vùng suy giảm ngăn dòng điện tạo ra, năng lượng đầu vào từ ánh sáng mặt trời cung cấp cho các hạt mang điện tích đủ năng lượng để vượt qua lớp trung hòa. Vì nhiều photon tương tác với silicon có giá trị năng lượng cao hơn độ rộng vùng cấm, nên năng lượng dư thừa sẽ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt.
Với các electron tự do di chuyển qua silicon, tất cả những gì cần thiết là một con đường để năng lượng điện đi ra khỏi bảng điều khiển. Mỗi pin mặt trời có hai bộ đường lưới kim loại kết nối với bề mặt của nó, được gọi là ngón tay và thanh cái. Điện năng được thu thập trong các ngón tay, là một tập hợp các đường lưới kim loại rất mỏng chạy lên và xuống pin mặt trời. Các ngón tay định tuyến điện đến các thanh cái, chạy vuông góc với các ngón tay. Các thanh cái dày hơn nhiều so với ngón tay và hầu hết các pin mặt trời đều có hai thanh cái trải dài theo chiều dài của tế bào.
Các thanh cái được kết nối qua dây đồng với mặt sau của pin mặt trời tiếp theo, và chúng được đấu nối tiếp với nhau, tạo ra điện và chạy theo chuỗi các tế bào. Một số loạt tế bào sau đó được nối dây song song với nhau, tạo thành một tấm pin mặt trời. Tấm pin mặt trời sau đó được nối với một số tấm pin khác, tạo ra một hệ thống năng lượng mặt trời.
Quá trình quang điện tạo ra dòng điện một chiều, do đó cần có bộ biến tần để chuyển đổi nguồn DC thành nguồn AC. Sau đó, điện được lưu trữ trong pin, nơi năng lượng được lưu trữ dưới dạng các liên kết hóa học cho đến khi nó sẵn sàng để phóng điện.
Phần kết luận
Trong khi nhân loại đã khai thác năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt trong nhiều thế kỷ, thì PV năng lượng mặt trời đã cho phép chúng ta tận dụng trực tiếp các tia sáng mặt trời. Mặc dù công nghệ này chậm phát triển, nhưng ý tưởng khai thác ánh sáng mặt trời để làm năng lượng đã tạo ra một cuộc cách mạng trong ngành năng lượng. Viễn cảnh từ bỏ nhiên liệu hóa thạch để lấy năng lượng vô hạn từ mặt trời đã thay đổi cách chúng ta nhìn nhận về điện. Các tấm quang điện dựa trên các đặc tính độc đáo của chất bán dẫn silicon để chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Các tính chất vật lý và hóa học của silicon kết tinh cho phép vật liệu phản ứng với ánh sáng theo cách tạo ra điện tích. Các đường lưới kim loại mang năng lượng điện ra khỏi tấm pin và về nhà của bạn. Đó là một quá trình phức tạp, một quá trình có khả năng mang lại năng lượng cho các thành phố ngập nắng trên toàn cầu.
Các câu hỏi thường gặp
Làm thế nào để một tấm pin mặt trời tạo ra điện?
Pin năng lượng mặt trời chứa các lớp silicon kết tinh tích điện dương và âm, tạo ra điện trường. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào tấm pin, các photon đánh bật các electron ra khỏi mạng tinh thể và cung cấp cho chúng đủ năng lượng để di chuyển tự do. Chúng bị hút về phía tích điện dương của tinh thể, tạo ra dòng điện.
Tại sao chất bán dẫn được sử dụng trong các tấm pin mặt trời?
Chất bán dẫn có những đặc tính thú vị cho phép chúng thay đổi độ dẫn điện bằng cách thay đổi mức năng lượng của hệ, chẳng hạn như khi ánh sáng chiếu vào bề mặt của nó. Chúng có thể được pha tạp, hoặc bị tiêm các tạp chất để phù hợp với một ứng dụng cụ thể. Điều này làm cho chúng có tính linh hoạt cao không chỉ đối với quang điện mà còn đối với bộ vi xử lý và bảng mạch.
Doping là gì?
Doping là sự bổ sung các tạp chất vào tinh thể silicon. Trong các tấm PV, silicon được pha tạp để tạo ra một mặt của tấm wafer tích điện dương (loại p) và mặt kia tích điện âm (loại n). Điều này tạo ra một điện trường thúc đẩy chuyển động của các electron khi ánh sáng chiếu vào bề mặt của bảng điều khiển.
Tại sao các tấm pin mặt trời có đường lưới kim loại (Finger)?
Các dòng điện lưới kim loại trên bảng PV phục vụ để thu nhận và vận chuyển dòng điện ra khỏi té bào quang điện và hướng về nhà của bạn. Các điểm tiếp xúc kim loại nhỏ hơn được gọi là ngón tay, và chúng bắt điện trực tiếp từ cell pin, finger tới các thanh cái, hai đường kim loại cắt ngang pin mặt trời vuông góc với fingers. Các thanh cái mang điện ra khỏi solar cell và hướng tới bộ biến tần.
