Ký hiệu dùng cho pin mặt trời
Pin Mặt trời, tấm năng lượng mặt trời hay tấm quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) – là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời). Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo. Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng (ví dụ cảm biến hồng ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng.
Hình ảnh một tế bào quang điện thông dụng được làm từ tinh thể silicon. Trên mặt phẳng pin được phủ những đường dẫn bằng sắt kẽm kim loại với những nhánh nhỏ hơn toả ra trên mặt phẳng pin để tích lũy electron sinh ra bởi hiệu ứng quang điện
Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:
- Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn.
- Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction). Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời.
- Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện.
Các pin năng lượng Mặt trời có nhiều ứng dụng trong trong thực tiễn. Do giá tiền còn đắt, chúng đặc biệt quan trọng thích hợp cho những vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài hòn đảo xa, hoặc Giao hàng những hoạt động giải trí trên khoảng trống ; đơn cử như những vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo Trái Đất, máy tính cầm tay, những máy điện thoại cảm ứng cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước … Các Pin năng lượng Mặt trời được phong cách thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành những tấm năng lượng Mặt trời có diện tích quy hoạnh lớn, thường được đặt trên nóc những tòa nhà nơi chúng hoàn toàn có thể có ánh sáng nhiều nhất, và liên kết với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. Các tấm pin Mặt Trời lớn thời nay được lắp thêm bộ phận tự động hóa tinh chỉnh và điều khiển để hoàn toàn có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như loài hoa hướng dương hướng về ánh sáng Mặt Trời .
Hiệu ứng quang điện được phát hiện tiên phong năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel lúc ông 19 tuổi khi đang làm thí nghiệm tại phòng nghiên cứu và điều tra của cha. Willoughby Smith nhắc đến ý tưởng này trong một bài báo xuất bản ngày 20 tháng 2 năm 1873 trên tạp chí Nature. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng mảnh vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị chỉ có hiệu suất 1 %. Năm 1888, nhà vật lý học người Nga Aleksandr Stoletov tạo ra tấm pin tiên phong dựa vào hiệu ứng quang điện được phát hiện bởi Heinrich Hertz trước đó vào năm 1887 .Albert Einstein đã lý giải được hiệu ứng quang điện vào năm 1905, khu công trình đã giúp ông giành giải Nobel vật lý năm 1921 .Vadim Lashkaryov phát hiện ra phân lớp p-n trong CuO và bạc sul-phát vào năm 1941 .Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng Mặt trời tiên phong năm 1946. Sven Ason Berglund đã có chiêu thức tương quan đến việc tăng năng lực cảm nhận ánh sáng của pin .Pin mặt trời tiên phong có năng lực ứng dụng được ra đời vào 25/4/1954 tại Bell Laboratories bởi Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller và Gerald Pearson .Pin mặt trời khởi đầu được chăm sóc đặc biệt quan trọng khi tích hợp với vệ tinh Vanguard I năm 1958 .
Tìm hiểu về pin Mặt trời, thì cần một chút ít kim chỉ nan nền tảng về vật lý chất bán dẫn. Để đơn thuần, miêu tả sau đây chỉ số lượng giới hạn hoạt động giải trí của một pin năng lượng tinh thể silic .Nguyên tố Silic thuộc nhóm IVA trong bảng tuần hoàn những nguyên tố hóa học, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng. Silic nguyên tố không tìm thấy trong tự nhiên mà sống sót dạng hợp chất phân tử ở thể rắn. Cơ bản có hai loại chất rắn silicon, là đa thù hình ( không có trật tự sắp xếp ) và tinh thể ( những nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy khoảng trống 3 chiều ). Pin năng lượng Mặt trời thông dụng nhất là dạng đa tinh thể silicon .Silic là vật tư bán dẫn. Nghĩa là trong thể rắn của silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron hoàn toàn có thể đạt được, và một số ít tầng năng lượng khác thì không được. Đơn giản hiểu là có lúc dẫn điện, có lúc không dẫn điện. Lý thuyết này địa thế căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử .
Ở nhiệt độ phòng thí nghiệm (khoảng 28 °C), Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém (cơ học lượng tử giải thích mức năng lượng Fermi trong tầng trống). Trong thực tế, để tạo ra các phân tử silic có tính dẫn điện tốt hơn, chúng được 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 silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự tạo thành một mạng silic (mạng tinh thể). Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V 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. Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phosphor, asen) gọi là bán dẫn n 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 bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p.
Vật liệu và hiệu suất[sửa|sửa mã nguồn]
Đã có nhiều loại vật tư khác nhau được thử nghiệm sản xuất pin Mặt trời. Có hai tiêu chuẩn nhìn nhận, là hiệu suất và giá thành .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 chừng 1000 W / m². trong đó 10 % hiệu suất của 1 module 1 m² cung ứng năng lượng khoảng chừng 100 W. hiệu suất của pin Mặt trời biến hóa từ 6 % từ pin Mặt trời làm từ silic không thù hình, và hoàn toàn có thể lên đến 30 % hay cao hơn nữa .Có nhiều cách để nói đến giá thành của mạng lưới hệ thống cung ứng điện ( đúng chuẩn là phát điện ), là thống kê giám sát đơn cử giá tiền 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 hành động trong giá tiền. Nói chung, với toàn mạng lưới hệ thống, là tổng hợp những tấm pin Mặt trời, thì hiệu suất là rất quan trọng. Và để tạo nên ứng dụng trong thực tiễn cho pin năng lượng, điện năng tạo nên hoàn toàn có thể nối với mạng lưới điện sử dụng dạng quy đổi trung gian ; trong những phương tiện đi lại vận động và di chuyển, thường sử dụng mạng lưới hệ thống ắc quy để tàng trữ nguồn năng lượng chưa sử dụng đến. Các pin năng lượng thương mại và mạng lưới hệ thống công nghệ tiên tiến cho nó có hiệu suất từ 5 % đến 15 %. Giá của 1 đơn vị chức năng điện từ 50 Eurocent / kWh ( Trung Âu ) giảm xuống tới 25 eurocent / kWh trong vùng có ánh Mặt trời nhiều .Ngày nay thì vật tư hầu hết sản xuất pin Mặt trời ( và cho những thiết bị bán dẫn ) là silic dạng tinh thể. Pin Mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành ba loại :
- 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.
Nền tảng sản xuất dựa trên Công nghệ sản xuất tấm mỏng dính, có độ dày 300 μm và xếp lại để tạo nên những module tạo thành những loại pin trên .
Sự quy đổi ánh sáng[sửa|sửa mã nguồn]
Khi một photon chạm vào một mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra :
- Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn.
- Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến những hạt electron trong mạng tinh thể. Thông thường những electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với những nguyên tử lân cận do đó không hề vận động và di chuyển xa. Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, những electron này hoàn toàn có thể tự do vận động và di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là ” lỗ trống “. Lỗ trống này tạo điều kiện kèm theo cho những electron của nguyên tử bên cạnh vận động và di chuyển đến điền vào ” lỗ trống “, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có ” lỗ trống “. Cứ liên tục như vậy ” lỗ trống ” vận động và di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn .Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng lượng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của Mặt trời thường tương tự 6000 ° K, do đó nên phần đông năng lượng Mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên hầu hết năng lượng Mặt trời có tính năng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được .
- Tạo ra nguồn năng lượng xanh
Ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng tự nhiên quen thuộc với toàn bộ mọi người. Nhờ có tấm pin năng lượng mặt trời mà nguồn năng lượng tự nhiên đó được chuyển hóa thành điện năng để ship hàng cho đời sống của con người
- Thân thiện với môi trường
Một điểm cộng cho tấm pin năng lượng mặt trời chính là tạo ra một nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường.
