Solar cell có thể được tìm thấy ở hầu hết mọi nơi, từ máy tính, đồ chơi trẻ em, ngọn đuốc và vệ tinh, v.v … Solar cells còn được gọi là tế bào quang điện (photovoltaic hay PV), photo nghĩa là “ánh sáng” và voltaic nghĩa là “điện”, tạo ra điện trực tiếp từ ánh sáng bằng cách thông qua hiệu ứng quang điện
Một nhóm các tế bào quang điện được kết nối bằng điện và được đặt vào một khung được gọi là mô-đun (hoặc pin năng lượng mặt trời), sau đó có thể được kết nối lại thành các nhóm mô-đun lớn hơn để tạo thành một hệ thống năng lượng mặt trời.
Tế bào quang điện được làm bằng chất bán dẫn như silicon, được sử dụng phổ biến nhất. Khi ánh sáng chiếu vào tế bào, một phần của nó bị hấp thụ trong vật liệu bán dẫn; năng lượng của ánh sáng bị hấp thụ được truyền cho chất bán dẫn. Năng lượng được truyền sau đó đánh bật các electron lỏng lẻo, cho phép chúng chuyển động tự do.
Tế bào PV có điện trường buộc các electron giải phóng do hấp thụ ánh sáng chạy theo một hướng nhất định. Dòng electron này là một dòng điện; khi các tiếp điểm kim loại được đặt trên đầu và dưới cùng của tế bào PV, nó cho phép chúng ta rút dòng điện ra để sử dụng bên ngoài.
Danh mục
Cách silicon tạo ra một Solar Cell
Silicon có những tính chất hóa học đặc biệt, đặc biệt là ở dạng tinh thể. Một nguyên tử của silic có 14 electron, được sắp xếp trong ba lớp vỏ khác nhau. Hai lớp vỏ đầu tiên – lần lượt chứa hai và tám electron – đã hoàn toàn đầy. Tuy nhiên, lớp vỏ bên ngoài chỉ đầy một nửa với bốn electron. Một nguyên tử silicon sẽ luôn tìm cách lấp đầy lớp vỏ cuối cùng của nó, và để làm điều này, nó sẽ chia sẻ electron với bốn nguyên tử gần đó. Đó là những gì tạo nên cấu trúc tinh thể, và cấu trúc đó quan trọng đối với loại tế bào PV này.
Tinh thể Silic nguyên chất là chất dẫn điện kém vì không có electron nào của nó chuyển động tự do, không giống như các electron trong các chất dẫn điện tối ưu hơn như đồng. Để khắc phục điều này, silicon trong solar cell có thêm tạp chất – là những nguyên tử khác trộn lẫn với nguyên tử silicon. Chúng ta thường nghĩ về các tạp chất là thứ gì đó không mong muốn, nhưng trong trường hợp này, tế bào sẽ không hoạt động nếu không có chúng.
Nếu thêm một nguyên tử phốt pho (với năm electron) vào silicon có bốn electron còn lại; phốt pho sẽ liên kết với các nguyên tử silic để lại một electron không tạo thành một phần của liên kết. Electron còn sót lại này được giữ tại chỗ bởi một proton dương trong hạt nhân photpho.
Khi năng lượng được thêm vào silicon nguyên chất, dưới dạng nhiệt, nó sẽ khiến một vài electron bứt ra tự do và rời khỏi nguyên tử của chúng. Các electron này được gọi là hạt tải điện tự do , chúng chạy ngẫu nhiên xung quanh mạng tinh thể.
Quá trình thêm tạp chất có mục đích này được gọi là pha tạp, và khi pha tạp với phốt pho, silicon tạo thành được gọi là loại N (“n” cho âm) vì sự phổ biến của các điện tử tự do. Silicon pha tạp loại N là chất dẫn điện tốt hơn nhiều so với silicon nguyên chất.
Phần còn lại của solar cell điển hình được pha tạp chất với nguyên tố boron, nguyên tố này chỉ có 3 electron ở vỏ ngoài thay vì 4 electron, để trở thành silicon loại P. Thay vì có các electron tự do, loại P (“p” cho cực dương) có các lỗ mở tự do và mang điện tích trái dấu (dương).
Giải phẫu của một tế bào quang điện
Trước đây, hai miếng silicon riêng biệt là trung hòa về điện; phần thú vị bắt đầu khi bạn đặt chúng lại với nhau. Đó là bởi vì không có điện trường, tế bào sẽ không hoạt động; trường hình thành khi silicon loại N và loại P tiếp xúc với nhau. Đột nhiên, các electron tự do ở phía N nhìn thấy tất cả các khe hở ở phía P, và có một sẽ chạy đua để lấp đầy chúng.
Có phải tất cả các electron tự do đều lấp đầy tất cả các lỗ trống tự do? Không. Nếu làm vậy, thì toàn bộ sự sắp xếp sẽ không hữu ích cho lắm. Tuy nhiên, ngay tại chỗ tiếp giáp, chúng trộn lẫn và tạo thành một thứ gì đó nhưu một rào cản, khiến các electron ở phía N càng khó vượt qua phía P hơn. Cuối cùng, cân bằng đạt được, và chúng ta có một điện trường ngăn cách hai bên.
Điện trường này hoạt động như một diode, cho phép các electron chạy từ phía P sang phía N, chứ không phải theo chiều ngược lại. Nó giống như một ngọn đồi – các electron có thể dễ dàng đi xuống ngọn đồi (về phía N), nhưng không thể leo lên nó (về phía P).
Khi ánh sáng, dưới dạng photon, chạm vào solar cell, năng lượng của nó sẽ phá vỡ các cặp electron-lỗ trống. Mỗi photon có đủ năng lượng thường sẽ giải phóng chính xác một electron, dẫn đến một lỗ trống tự do. Nếu điều này xảy ra đủ gần với điện trường, hoặc nếu electron tự do và lỗ trống tự do hoạt động trong phạm vi ảnh hưởng của nó, trường sẽ đưa điện tử về phía N và lỗ trống về phía P.
Điều này gây ra sự gián đoạn hơn nữa về tính trung hòa điện, và nếu chúng ta cung cấp một đường dẫn dòng điện bên ngoài, các electron sẽ chạy qua đường dẫn đến mặt P để liên kết với các lỗ trống mà điện trường gửi đến đó. Dòng điện tử cung cấp dòng điện, và điện trường của tế bào tạo ra hiệu điện thế. Với cả dòng điện và điện áp, bây giờ chúng ta có nguồn DC.
Có 3 loại Solar Cell:
Có ba loại tế bào quang điện cơ bản. Các tế bào đơn tinh thể được cắt ra từ một thỏi silicon được nuôi cấy từ một tinh thể silicon lớn trong khi các tế bào đa tinh thể được cắt từ một thỏi tạo thành từ nhiều tinh thể nhỏ hơn. Loại thứ ba là loại vô định hình hoặc màng mỏng.
Tế bào quang điện vô định hình
Công nghệ vô định hình thường được nhìn thấy nhiều nhất trong các tấm pin mặt trời nhỏ, chẳng hạn như trong máy tính hoặc đèn sân vườn, mặc dù các tấm vô định hình ngày càng được sử dụng trong các ứng dụng lớn hơn. Chúng được tạo ra bằng cách gắn một màng mỏng silicon lên một tấm vật liệu khác như thép. Pin được tạo thành một mảnh và các cell riêng lẻ không nhìn thấy được như các loại tấm pin khác.
Hiệu suất của tấm pin vô định hình không cao bằng tấm tinh thể. Do mật độ năng lượng thấp hơn; các tế bào vô định hình yêu cầu số lượng tấm pin gấp ba lần cho một cài đặt tiêu chuẩn để đạt được cùng một sản lượng điện; do đó chiếm nhiều không gian sử dụng hơn. Các tế bào năng lượng mặt trời vô định hình có tuổi thọ ngắn hơn nhiều.
Tế bào năng lượng mặt trời tinh thể
Cuộc tranh luận: MonoCrystalline hay PolyCrystalline
Rất nhiều người nói ‘Sự khác biệt giữa mono và poly là gì? Nghe nói mono tốt hơn poly? ‘ Câu trả lời cho những câu hỏi này là ‘không nhiều’ và ‘không’.
Làm thế nào các tấm wafer được làm?
Mono Wafer được tạo ra bằng cách nuôi cấy một thỏi tinh thể silicon hình trụ từ một tinh thể hạt nhỏ. Thỏi là một tinh thể, do đó có tên là ‘đơn tinh thể’. Thỏi này sau đó được cắt thành hình vuông và cắt thành các tấm mỏng. Tế bào ‘đơn tinh thể’ có hiệu quả nhất khi được đặt ở 0° (Bắc ở Nam bán cầu và Nam ở Bắc bán cầu).
Trong khi các tế bào poly được tạo ra bằng cách đổ silicon nóng chảy vào khuôn vuông và cho phép nó đông kết lại. Vì silicon nguội đi ở các tốc độ khác nhau (bên ngoài đông kết nhanh hơn bên trong) và không có tinh thể hạt nào để ‘phát triển’ vật liệu mới từ khối tạo thành chứa nhiều tinh thể. Điều này tạo ra tên ‘đa tinh thể’ và tạo cho các tế bào có vẻ ngoài lấp lánh trên bề mặt của chúng. Tế bào ‘đa tinh thể’ do có bề mặt đa diện nên hoạt động tốt trong điều kiện ánh sáng yếu. Đó là một lợi thế khác là trên mỗi mét vuông không gian, nó có công suất sản xuất điện lớn hơn nhiều.
Vì vậy, câu hỏi một lần nữa – cái nào tốt hơn?
Tốt hơn có thực sự hiệu quả hơn không? Câu trả lời ở đây là có!
Các tế bào Poly có tổn thất bên trong liên kết với các đường ranh giới nơi các mặt tinh thể khác nhau gặp nhau. Tế bào mono chỉ là một tinh thể, không có những tổn thất bên trong này. Tế bào đơn sắc cũng có một lợi thế khác. Định hướng cụ thể của đơn tinh thể cho phép tạo ra các kim tự tháp bề mặt. Các kim tự tháp này giúp hấp thụ nhiều ánh sáng hơn vào mô-đun.
Các nhà sản xuất khác nhau cũng sử dụng nhiều kỹ thuật xử lý khác để nâng cao hiệu quả của chúng. Luôn kiểm tra dữ liệu mô-đun của bạn để xem những gì khác được thực hiện để tối ưu hóa hiệu quả của tế bào.
Hiệu quả hơn có nghĩa là nhiều điện hơn? Câu trả lời ở đây là có, cho cùng một khu vực.
Module mono được đánh giá ở công suất 180W với diện tích 1,28m2 có thể đạt hiệu quả 14,1% trong khi mô-đun đa 200W với diện tích 1,47m2 có thể đạt hiệu suất 13,6%. Vì vậy, hiệu quả chỉ là thước đo sản lượng mô-đun dựa trên diện tích mô-đun – hiệu suất càng cao thì năng lượng sẽ được sản xuất từ mô-đun cùng kích thước càng nhiều. Hoặc nhìn theo cách khác, cùng một đầu ra với ít mô-đun hơn. Điều này có thể rất quan trọng khi hạn chế về không gian mái.
Hiệu quả hơn có nghĩa là nhiều năng lượng hơn trong thế giới thực? Câu trả lời ở đây là không. Vì vậy, câu hỏi tiếp theo là tại sao không và làm thế nào chúng ta biết cái nào mang lại nhiều năng lượng hơn?
Năng lượng là Wh (hoặc kWh), không chỉ W (hoặc kW) nên chúng ta cũng cần xem xét các yếu tố thời tiết như cường độ ánh sáng mặt trời, lượng mây che phủ và nhiệt độ môi trường xung quanh. Để hiển thị điều này dễ dàng hơn, nhiều nhà sản xuất tấm pin sẽ đưa ra xếp hạng ‘đặc tính nhiệt độ’ hoặc xếp hạng NOCT (Nhiệt độ tế bào hoạt động danh nghĩa). Các xếp hạng này cho biết cách các mô-đun sẽ hoạt động ‘trên mái nhà’ thay vì ‘trong phòng thí nghiệm’.
Vì các đặc tính nhiệt độ của mô-đun mono và poly gần như giống hệt nhau nên cả hai sẽ hoạt động theo cùng một cách trong ‘thế giới thực’.
Tham khảo thêm bài viết: Tấm pin hoạt động như thế nào?
