Cấu tạo của tấm pin năng lượng mặt trời

Công nghệ pin năng lượng mặt trời đang ngày một phát triển nhanh chóng với hiệu suất cao hơn và giá cả thấp hơn dẫn đến nhu cầu tăng lên rất lớn. Tuy nhiên, kể cả khi những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ, cấu tạo của tấm pin cơ bản không thay đổi nhiều trong những năm qua. Hầu hết chúng vẫn được tạo thành từ một loạt các tế bào tinh thể silicon được kẹp giữa một tấm kính phía trước và một tấm mặt sau bằng nhựa polyme được hỗ trợ trong một khung nhôm.

Sau khi được lắp đặt, hệ thống phải chịu các điều kiện khắc nghiệt trong suốt tuổi thọ hơn 25 năm của chúng. Sự thay đổi lớn về nhiệt độ, độ ẩm, gió và bức xạ tia cực tím có thể gây ra áp lực rất lớn lên các tấm pin. May mắn thay, hầu hết các tấm được thiết kế tốt để chống chọi với thời tiết khắc nghiệt. Tuy nhiên, một số tấm nền vẫn có thể bị lỗi theo một số cách, bao gồm sự xâm nhập của nước, các vết nứt vi mô tế bào và sự suy thoái tiềm ẩn hoặc PID. Đây là lý do tại sao các tấm pin được sản xuất bằng các thành phần cấu tạo chất lượng cao nhất.

Solar Cell Được Tạo Ra Như Thế Nào?

Tế bào quang điện hay còn gọi là tế bào PV được sản xuất bằng cách sử dụng các tấm tinh thể silicon tương tự như các tấm mỏng được sử dụng để chế tạo bộ vi xử lý máy tính. Các tấm silicon có thể là đa tinh thể hoặc đơn tinh thể và được sản xuất bằng một số phương pháp sản xuất khác nhau. Loại hiệu quả nhất là đơn tinh thể (mono) được sản xuất bằng quy trình Czochralski nổi tiếng. Quá trình này tốn nhiều năng lượng hơn so với đa tinh thể (poly) và do đó sản xuất đắt hơn.

Mặt khác, tấm wafer đa tinh thể kém hiệu quả hơn một chút và được thực hiện bằng cách sử dụng một số quy trình tinh chế, theo sau là phương pháp đúc đơn giản hơn, chi phí thấp hơn. Gần đây, các tế bào đơn tinh thể đúc hoặc các tế bào đơn nguyên đúc đã trở nên phổ biến. Nguyên nhân là do quy trình đúc chi phí thấp hơn được sử dụng để tạo ra các tế bào mono đúc, tương tự như quy trình được sử dụng cho các tế bào silicon đa tinh thể. Tuy nhiên, wafer-mono không hoàn toàn hiệu quả và wafer mono nguyên chất được làm bằng quy trình Czochralski.

• Tế bào silicon đơn tinh thể – Hiệu quả cao nhất và chi phí cao nhất

• Đúc tế bào monosilicon – Hiệu quả cao và chi phí thấp hơn

• Tế bào silicon đa tinh thể – Hiệu quả thấp hơn và chi phí thấp nhất

Sản Xuất Tế Bào Silicon Tinh Thể

Sản xuất silicon tinh thể đòi hỏi một số quy trình sản xuất khác nhau bắt đầu từ một nguyên liệu thô được gọi là Quartzite, là một dạng đá thạch anh. Đầu tiên, Quartzite còn được gọi là cát silica được chuyển thành silicon cấp luyện kim bằng cách kết hợp Carbon và Quartzite trong lò hồ quang. Quá trình này xảy ra ở nhiệt độ rất cao và tạo ra 99% silicon nguyên chất. Bước tiếp theo là chuyển silicon cấp luyện kim thành Polysilicon tinh khiết bằng cách sử dụng quy trình tinh chế hóa học gọi là quy trình Siemens hoặc silicon cấp luyện kim nâng cấp (UMG-Si), sử dụng quy trình luyện kim ít tốn kém hơn.

Sau đó, polysilicon có thể được pha tạp với một lượng nhỏ của boron hoặc phốt pho để trở thành silicon loại P hoặc loại N. Ở giai đoạn này, silic đa tinh thể có thể được nấu chảy và đúc thành khối hình chữ nhật lớn và xắt lát mỏng sử dụng một phương pháp cắt dây kim cương để sản xuất đa tinh thể hoặc multicrystalline tấm.

Để sản xuất wafer hoặc tế bào đơn tinh thể hiệu quả hơn, silicon pha tạp có thể được sản xuất thành thỏi tinh thể rắn tinh khiết bằng quy trình Czochralski. Quá trình này liên quan đến việc nấu chảy silicon đa tinh thể dưới áp suất và nhiệt độ cao để từ từ phát triển thành một tinh thể đơn tinh thể được gọi là thỏi.

Xem chi tiết bài viết so sánh pin mono và poly

Các bước sản xuất tế bào PV đơn tinh thể

1. Cát silica được tinh chế trong lò hồ quang để tạo ra 99% silicon tinh khiết
2. 99% silicon được tinh chế thêm gần giống với 100% silicon nguyên chất
3. Silicon được pha tạp với boron hoặc phốt pho (loại P hoặc loại N)
4. Silicon pha tạp chất được nấu chảy và chiết xuất thành một thỏi tinh thể
5. Thỏi tròn được cắt dây thành các tấm mỏng hình vuông
6. Tấm đế mỏng được phủ một lớp siêu mỏng silicon loại P hoặc loại N để tạo thành tiếp giáp PN .
7. Các đường finger được in trên bề mặt các cell
8. Thanh cái dải phẳng hoặc thanh cái dây mỏng (MBB) được thêm vào

Tấm Năng Lượng Mặt Trời Được Tạo Ra Như Thế Nào?

Các tấm pin được sản xuất bằng cách sử dụng 6 thành phần chính được mô tả chi tiết dưới đây và được lắp ráp trong các cơ sở sản xuất tiên tiến với độ chính xác cao. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung vào các tấm pin được sản xuất bằng cách sử dụng các tế bào năng lượng silicon tinh thể vì đây là công nghệ năng lượng mặt trời phổ biến nhất và hoạt động tốt nhất hiện nay. Có sẵn các công nghệ PV năng lượng mặt trời khác nhưng chúng ta sẽ không thảo luận về những công nghệ này vì chúng có giới hạn sử dụng hoặc vẫn đang trong quá trình phát triển.

6 Thành Phần cấu tạo Chính Của tấm pin Mặt Trời

1. Tế bào quang điện

2. Kính cường lực – dày 3 đến 3,5 mm

3. Khung nhôm ép đùn

4. Đóng gói – Các lớp phim EVA

5. Tấm nền phía sau bằng polyme

6. Hộp nối – điốt và đầu nối

Nhiều nhà sản xuất tấm pin nổi tiếng đang ‘tích hợp theo chiều dọc‘, có nghĩa là một công ty cung cấp và sản xuất tất cả các thành phần chính bao gồm các thỏi và tấm silicon được sử dụng để tạo ra các tế bào PV. Tuy nhiên, nhiều nhà sản xuất lắp ráp pin mặt trời bằng cách sử dụng các bộ phận có nguồn gốc bên ngoài bao gồm các tế bào, tấm lưng polyme và vật liệu EVA bao bọc. Các nhà sản xuất này có thể lựa chọn nhiều hơn về thành phần mà họ đã chọn nhưng không phải lúc nào họ cũng kiểm soát được chất lượng của sản phẩm, vì vậy họ nên chắc chắn rằng họ sử dụng các nhà cung cấp tốt nhất.

1. Tế Bào PV

Tế bào quang điện chuyển đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện một chiều. Hiệu suất của tấm pin mặt trời được xác định bởi loại tế bào và đặc tính của silicon được sử dụng, với hai loại chính là silicon đơn tinh thể và silicon đa tinh thể. Cơ sở của tế bào PV là một tấm wafer rất mỏng, thường dày 0,1mm và được làm từ silicon loại P dương hoặc silicon loại N âm. Có nhiều kích thước và cấu hình cell khác nhau cung cấp các mức hiệu quả và hiệu suất khác nhau bao gồm cell cắt một nửa hoặc cell chia nhỏ, cell đa thanh cái (MBB)

Hầu hết các tấm pin dân dụng chứa 60 tế bào đơn tinh thể hoặc đa tinh thể được liên kết với nhau thông qua thanh cái nối tiếp để tạo ra điện áp từ 30 – 40 volt, tùy thuộc vào loại tế bào được sử dụng. Các tấm lớn hơn được sử dụng cho các hệ thống thương mại và trang trại năng lượng mặt trời quy mô tiện ích chứa 72 tế bào trở lên và lần lượt hoạt động ở điện áp cao hơn. Tiếp điểm điện kết nối các tế bào được gọi là thanh cái và cho phép dòng điện chạy qua tất cả các tế bào trong mạch.

2. Tấm Kính

Tấm kính phía trước bảo vệ các tế bào PV khỏi thời tiết và tác động từ mưa đá hoặc các mảnh vỡ trong không khí. Kính thường là cường lực cao với độ dày 3.0 đến 4.0mm và được thiết kế chống lại tải cơ khí và thay đổi nhiệt độ khắc nghiệt. Thử nghiệm va đập tiêu chuẩn tối thiểu của IEC yêu cầu các tấm pin phải chịu được tác động của đá mưa đá có đường kính 1 inch (25 mm) di chuyển với tốc độ 60 dặm/giờ (27m/s). Trong trường hợp xảy ra tai nạn hoặc va đập nghiêm trọng, kính cường lực cũng an toàn hơn nhiều so với kính tiêu chuẩn vì nó vỡ thành các mảnh nhỏ thay vì các phần răng cưa sắc nhọn.

Để nâng cao hiệu quả và hiệu suất, hầu hết các nhà sản xuất đều sử dụng kính truyền sáng cao có hàm lượng sắt rất thấp và có lớp phủ chống phản xạ ở mặt sau để giảm tổn thất và cải thiện khả năng truyền ánh sáng.

3. Khung Nhôm

Khung nhôm đóng một vai trò quan trọng bằng cách vừa bảo vệ mép của phần cán mỏng bao gồm các tế bào và cung cấp kết cấu vững chắc để gắn tấm pin vào đúng vị trí. Các phần nhôm ép đùn được thiết kế cực kỳ nhẹ, cứng và có thể chịu lực và chịu tải cao từ gió lớn và ngoại lực.

Khung nhôm có thể có màu bạc hoặc đen anodised và tùy thuộc vào nhà sản xuất, các phần góc có thể được ép hoặc kẹp với nhau để cung cấp các mức độ bền và độ cứng khác nhau.

4. EVA Film

EVA là viết tắt của ‘ethylene vinyl acetate’ là một lớp polyme có độ trong suốt cao (nhựa) được thiết kế đặc biệt được sử dụng để bao bọc các tế bào và giữ chúng ở vị trí trong quá trình sản xuất. Vật liệu EVA phải cực kỳ bền và chịu được nhiệt độ và độ ẩm khắc nghiệt, nó đóng một phần quan trọng trong hiệu suất lâu dài bằng cách ngăn chặn sự xâm nhập của hơi ẩm và bụi bẩn.

Việc cán mỏng hai bên của các tế bào PV cung cấp một số khả năng bảo vệ các tế bào và các dây kết nối khỏi các rung động và tác động đột ngột từ đá mưa đá và các vật thể khác. Màng EVA chất lượng cao với mức độ cao của cái được gọi là ‘liên kết ngang’ có thể là sự khác biệt giữa tuổi thọ cao hoặc sự cố do nước xâm nhập. Trong quá trình sản xuất, các tế bào đầu tiên được bao bọc với EVA trước khi được lắp ráp trong kính và tấm mặt sau.

5. Backsheet:

Tấm lưng là lớp sau cùng của các tấm pin thông thường, đóng vai trò như một lớp màng chắn ẩm và lớp bên ngoài cuối cùng để cung cấp cả khả năng bảo vệ cơ học và cách điện. Vật liệu tấm lưng được làm từ các polyme hoặc nhựa khác nhau bao gồm PP, PET và PVF cung cấp các mức độ bảo vệ khác nhau, độ ổn định nhiệt và khả năng chống tia cực tím lâu dài. Chúng thường có màu trắng nhưng cũng có màu trong hoặc đen tùy thuộc vào nhà sản xuất và mô-đun.

Các tấm kính kép – Một số tấm như tấm hai mặt và không khung sử dụng tấm kính phía sau thay vì tấm lưng polyme. Kính mặt sau bền hơn và có tuổi thọ cao hơn hầu hết các vật liệu mặt sau và vì vậy một số nhà sản xuất cung cấp bảo hành hiệu suất 30 năm cho các tấm kính kép.

6. Hộp Nối Và Đầu Nối

Hộp nối là một vỏ bọc chống thời tiết nhỏ nằm ở phía sau của tấm pin. Cần phải gắn chắc chắn các dây cáp cần thiết để kết nối các tấm với nhau. Hộp nối rất quan trọng vì nó là điểm trung tâm nơi tất cả các cell đặt kết nối với nhau và phải được bảo vệ khỏi độ ẩm và bụi bẩn.

Bypass diodes

Hộp nối cũng chứa các điốt cần thiết để ngăn chặn dòng điện ngược xảy ra khi một số cell bị bóng mờ hoặc bẩn. Điốt chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng và tấm 60 cell điển hình có 3 hàng gồm 20 cell PV và lần lượt có 3 điốt rẽ nhánh, một để ngăn dòng điện ngược đến mỗi hàng trong số 3 cell. Thật không may, các điốt rẽ nhánh có thể hỏng theo thời gian và có thể cần phải thay thế, vì vậy nắp hộp nối thường có thể được tháo ra để bảo dưỡng, mặc dù nhiều tấm pin hiện đại ngày nay sử dụng các điốt bền hơn và hộp nối không thể bảo dưỡng.

Đầu nối MC4

Hầu hết tất cả các tấm pin mặt trời được kết nối với nhau bằng cách sử dụng phích cắm và ổ cắm chịu thời tiết đặc biệt được gọi là đầu nối MC4. Thuật ngữ MC4 là viết tắt của đầu nối đa tiếp điểm đường kính 4mm. Do điều kiện thời tiết khắc nghiệt, các đầu nối phải rất chắc chắn, an toàn, chống tia cực tím và duy trì kết nối tốt với điện trở tối thiểu ở cả điện áp thấp và cao lên đến 1000V.

Các đầu nối được thiết kế để sử dụng với cáp DC năng lượng mặt trời đôi cách điện 4mm hoặc 6mm tiêu chuẩn với lõi nhiều sợi đồng đóng hộp để có điện trở tối thiểu. Để lắp ráp chính xác các đầu nối, một công cụ uốn đặc biệt được sử dụng để uốn cáp nhiều sợi vào đầu nối bên trong, sau đó được lắp vào và bắt vào vỏ MC4.

Có một số loại đầu nối MC4 có thể trông giống nhau nhưng không phải lúc nào cũng khớp với nhau một cách an toàn. Phải luôn sử dụng cùng loại và cấu tạo của đầu nối để giảm sự xâm nhập của nước tiềm ẩn hoặc hỏng phích cắm có thể dẫn đến phóng hồ quang và thậm chí là cháy.

Sản Xuất Và Lắp Ráp pin Năng Lượng Mặt Trời

Các tấm pin mặt trời được lắp ráp trong các cơ sở sản xuất tiên tiến bằng cách sử dụng thiết bị robot và cảm biến tự động để định vị chính xác các thành phần với độ chính xác cực cao. Các nhà máy sản xuất phải cực kỳ sạch sẽ và được kiểm soát để ngăn ngừa bất kỳ sự ô nhiễm nào trong quá trình lắp ráp.

Trong suốt quá trình sản xuất, các tấm và tế bào được kiểm tra bằng cách sử dụng cảm biến quang học / hình ảnh tiên tiến để đảm bảo tất cả các thành phần được định vị chính xác và các tấm wafer tế bào, không bị hư hỏng hoặc nứt trong quá trình lắp ráp. Tùy thuộc vào nhà sản xuất, cụm pin cuối cùng được kiểm tra kỹ lưỡng bằng cách sử dụng một số thử nghiệm bao gồm thử nghiệm phát quang điện (EL) hoặc thử nghiệm nhanh để xác định bất kỳ lỗi hỏng nào trong các cell có thể dẫn đến hỏng hóc khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời và nhiệt độ cao trong nhiều năm.

Tính Bền Vững

Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng tái tạo miễn phí sẽ không bao giờ cạn kiệt. Mặt khác, nhiên liệu hóa thạch là một nguồn tài nguyên hữu hạn thải ra khí nhà kính và các hạt khác trong quá trình khai thác, chế biến và đốt cháy. Trong khi đó, các tấm pin không tạo ra bất kỳ khí thải nào trong quá trình sử dụng, nhưng chúng được làm từ một số vật liệu khác nhau đòi hỏi các mức tài nguyên và năng lượng khác nhau. Năng lượng được sử dụng để chiết xuất các nguyên liệu thô và sản xuất một sản phẩm được gọi là ‘năng lượng tiêu tốn‘. Khoảng thời gian cần thiết để một sản phẩm hoàn trả năng lượng thể hiện được tính bằng năm. Đây được gọi là tổng thời gian hoàn vốn năng lượng (EPBT).

Một tấm năng lượng mặt trời tinh thể silicon điển hình sẽ tạo ra đủ năng lượng để hoàn trả năng lượng thể hiện trong vòng 2-3 năm sau khi lắp đặt. Tuy nhiên, do hiệu suất đã tăng nên thời gian hoàn vốn đã giảm xuống dưới 2 năm ở nhiều khu vực có bức xạ mặt trời trung bình cao.

Biểu đồ dưới đây cho thấy sự gia tăng lượng khí thải từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch trong 250 năm qua.

Pin mặt trời silicon tinh thể hiện đại tạo ra đủ năng lượng để hoàn trả năng lượng hiện có trong vòng 2-3 năm. Điều này được hỗ trợ bởi nhiều nghiên cứu chi tiết và phân tích vòng đời. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu hiện đã lỗi thời vì hiệu suất pin mặt trời đã tăng từ 15% lên 20% (tăng 35%) trong vài năm qua và thời gian hoàn vốn được ước tính là 1,5 năm.

Các Tấm Pin Mặt Trời Có Độc Hại Không?

Mặc dù có một lượng lớn thông tin lan truyền về các tấm pin mặt trời là độc hại, các tấm silicon tinh thể hiện đại hầu như không chứa vật liệu độc hại. Những tuyên bố về ‘tấm pin độc hại’ xuất phát từ tấm dạng màng mỏng (Cadmium telluride – CdTe) hầu hết đã lỗi thời, có chứa một lượng nhỏ cadmium và telluride. Tuy nhiên, trừ khi những tấm này (tương đối hiếm) bị chia thành nhiều mảnh, lượng vết của cadmium được chứa trong các lớp EVA và không thể thoát ra ngoài.

Các tấm silicon tinh thể hiện đại chỉ chứa một lượng nhỏ chì trong chất hàn được sử dụng cho các kết nối tế bào. Tuy nhiên, việc sử dụng vật liệu hàn đang bắt đầu bị loại bỏ dần với các kỹ thuật nối nén thanh cái mới và vật liệu dán dẫn điện.
Khoảng 98% các tấm pin mặt trời được lắp đặt trên khắp thế giới ngày nay là loại silicon tinh thể và không chứa cadmium hoặc telluride. Chúng rất lành tính và ngay cả khi bị hư hỏng, các tế bào cũng không gây ra bất kỳ ô nhiễm nào vì các tế bào được bao bọc và không chứa các vật liệu dễ hòa tan. Tuy nhiên, giống như tất cả các thiết bị, các tấm pin cũng cần được thu gom và tái chế khi hết sử dụng.

Tái Chế Tấm Pin:

Vì hầu hết các tấm pin được lắp đặt trong 10-15 năm qua vẫn đang được sử dụng nên không có một lượng lớn chất thải năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, trong vòng 10-20 năm tới, nhiều hệ thống sẽ hết tuổi thọ (EOF) và dự kiến ​​sẽ có sự gia tăng lớn về khối lượng chất thải liên quan đến năng lượng mặt trời cần được tái chế. Tái chế tấm pin là một ngành công nghiệp mới nổi do các vật liệu dễ tái chế như khung nhôm và hệ thống lắp đặt. Hầu hết các nhà sản xuất đang thúc đẩy trở nên bền vững hơn và hiện là một phần của tổ chức PV Cycle phi lợi nhuận – “PV CYCLE cung cấp cho các thành viên và chủ sở hữu chất thải khả năng tiếp cận tốt hơn để thu hồi và đảm bảo tỷ lệ tái chế cao hơn tiêu chuẩn ngành.”

Về vấn đề môi trường, nhiều nhà sản xuất cũng quan tâm về vấn đề này, điển hình như Jinko solar đã cam kết sử dụng 100% năng lượng tái tạo từ năm 2025