Pin Mặt Trời

Pin Mặt Trời, tấm năng lượng Mặt Trời hay tấm quang điện (tiếng Anh: solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một lượng lớn cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Dòng điện, điện áp hoặc điện trở của pin Mặt Trời biến đổi tùy thuộc vào lượng ánh sáng chiếu vào chúng. Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để tạo thành pin Mặt Trời (thường là 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin Mặt Trời). Tế bào quang điện có thể hoạt động dưới ánh sáng Mặt Trời hoặc ánh sáng nhân tạo. Chúng có thể được sử dụng như cảm biến ánh sáng (ví dụ như cảm biến hồng ngoại) hoặc phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng.

Sự chuyển đổi này được thực hiện theo hiệu ứng quang điện. Hoạt động của pin Mặt Trời được chia thành ba giai đoạn:

• Đầu tiên, năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và tạo ra các cặp electron-hole trong chất bán dẫn.
• Các cặp electron-hole sau đó được phân tách bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction). Hiệu ứng này tạo thành hiệu điện thế của pin Mặt Trời. 
• Pin Mặt Trời sau đó được kết nối trực tiếp vào mạch bên ngoài và tạo ra dòng điện. 

Các pin năng lượng Mặt Trời có nhiều ứng dụng thực tế. Do chi phí còn đắt, chúng đặc biệt phù hợp với các vùng nơi lưới điện khó tiếp cận như núi cao, đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không như vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo Trái Đất, máy tính cầm tay, điện thoại di động từ xa, thiết bị bơm nước,... Các tấm pin năng lượng Mặt Trời được thiết kế như các thành phần module, được ghép lại với nhau để tạo thành các tấm năng lượng Mặt Trời có diện tích lớn, thường được đặt trên mái các tòa nhà để có được ánh sáng nhiều nhất, và được kết nối với bộ chuyển đổi của lưới điện. Các tấm pin Mặt Trời lớn ngày nay thường được trang bị bộ điều khiển tự động để có thể điều chỉnh hướng theo ánh sáng, như loài hoa hướng dương luôn hướng về ánh sáng Mặt Trời.

Lịch sử

Hiệu ứng quang điện được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà vật lý người Pháp Alexandre Edmond Becquerel khi ông mới 19 tuổi và đang thực hiện thí nghiệm tại phòng nghiên cứu của cha mình. Willoughby Smith đã đề cập đến phát minh này trong một bài báo được xuất bản vào ngày 20 tháng 2 năm 1873 trên tạp chí Nature. Tuy nhiên cho đến năm 1883, một loại pin năng lượng mới được phát minh bởi Charles Fritts khi ông phủ một lớp mỏng vàng lên một mạch bán dẫn selen để tạo thành mạch nối, thiết bị này chỉ có hiệu suất là 1%. Năm 1888, nhà vật lý người Nga Aleksandr Stoletov đã tạo ra tấm pin đầu tiên dựa trên hiệu ứng quang điện được phát hiện trước đó vào năm 1887 bởi Heinrich Hertz.

Albert Einstein đã giải thích hiệu ứng quang điện vào năm 1905, công trình này đã giúp ông đoạt giải Nobel vật lý vào năm 1921.

Vadim Lashkaryov phát hiện phân lớp p-n trong CuO và bạc sul-phát vào năm 1941.

Russell Ohl được coi là người đầu tiên phát minh ra viên pin năng lượng Mặt Trời vào năm 1946. Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng cường khả năng thu ánh sáng của viên pin.

Viên pin Mặt Trời đầu tiên có khả năng ứng dụng ra mắt vào ngày 25/4/1954 tại Bell Laboratories bởi Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller và Gerald Pearson.

Sự quan tâm đặc biệt đến viên pin Mặt Trời bắt đầu khi kết hợp với vệ tinh Vanguard I vào năm 1958.

Nền tảng

Để hiểu về pin Mặt Trời, cần có kiến thức cơ bản về vật lý chất bán dẫn. Mô tả sau đây giới hạn hoạt động của một pin năng lượng tinh thể silic.

Nguyên tố Silic thuộc nhóm IVA trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, có 4 electron ở lớp ngoài cùng. Silic không tồn tại tự nhiên mà thường dưới dạng hợp chất phân tử rắn. Có hai loại chất rắn silicon, là vô định hình và tinh thể. Pin năng lượng Mặt Trời phổ biến nhất là loại tinh thể đa silicon.

Silic là vật liệu bán dẫn, trong thể rắn của silic, electron có thể dẫn điện ở một tầng năng lượng nhất định và không dẫn ở các tầng năng lượng khác. Điều này dựa trên lý 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). 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 hoặc 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 xung quanh tạo thành một mạng tinh thể. Tuy nhiên, các nguyên tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì vậy trong mạng tinh thể có sự thừa hụt hoặc thiếu electron. Các electron này có thể tự do di chuyển trong mạng tinh thể. Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hoặc gali) tạo ra loại bán dẫn p với năng lượng chủ yếu mang điện tích dương, trong khi kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phosphor, asen) tạo ra loại bán dẫn n với năng lượng âm. 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 và p có thể di chuyển xung quanh mạng tinh thể.

Vật liệu và hiệu suất

Đã có nhiều loại vật liệu khác nhau được thử nghiệm để chế tạo pin Mặt Trời. Có hai tiêu chuẩn để đánh giá, đó là hiệu suất và giá cả.

Hiệu suất là tỉ lệ giữa năng lượng điện sinh ra và năng lượng ánh sáng Mặt Trời. Vào lúc trưa trong một ngày nắng, ánh sáng Mặt Trời chiếu sáng với cường độ khoảng 1000 W/m². Một module diện tích 1 m² có thể cung cấp khoảng 100 W, tức là hiệu suất khoảng 10%. Hiệu suất của pin Mặt Trời dao động từ 6% đối với pin silic vô định hình lên đến 30% hoặc cao hơn.

Có nhiều cách để nói về giá cả của hệ thống cung cấp điện (cụ thể là phát điện), bao gồm tính toán chi tiết chi phí sản xuất mỗi kilo Watt giờ điện (kWh). Hiệu suất của pin Mặt Trời tạo ra dòng điện dựa trên bức xạ Mặt Trời là một yếu tố quan trọng trong chi phí sản xuất. Nói chung, với hệ thống pin Mặt Trời tổng hợp, hiệu suất là một yếu tố rất quan trọng. Để ứng dụng thực tế, điện năng từ pin có thể được kết nối vào lưới điện thông qua hệ thống chuyển đổi trung gian; trong các phương tiện di chuyển, thường sử dụng hệ thống ắc quy để lưu trữ năng lượng không sử dụng. Các pin năng lượng thương mại và công nghệ hệ thống cho chúng có hiệu suất từ 5% đến 15%. Giá điện một đơn vị từ 50 Eurocent/kWh (ở Trung Âu) có thể giảm xuống còn 25 Eurocent/kWh tại các khu vực có nắng nhiều.

Ngày nay, vật liệu chính để chế tạo pin Mặt Trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là silic tinh thể. Pin Mặt Trời từ silic tinh thể chia thành ba loại:

• Pin tinh thể đơn được sản xuất từ quy trình Czochralski. Loại này có hiệu suất lên tới 16%. Chúng thường rất đắt do được cắt từ thỏi silic hình ống, và các tấm đơn này có các mặt trống ở góc nối giữa các module.
• Pin đa tinh thể được đúc từ silic nung chảy cẩn thận và làm nguội. Chúng thường rẻ hơn các pin tinh thể đơn, mặc dù hiệu suất không cao bằng. Tuy nhiên, chúng có thể che phủ mặt bề mặt nhiều hơn để bù đắp cho hiệu suất thấp hơn.
• Dải silic được làm từ màng mỏng silic nung chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất nhưng lại rẻ nhất vì không cần phải cắt từ thỏi silic.

Cơ sở sản xuất dựa trên công nghệ tạo màng mỏng, với độ dày 300 μm và sắp xếp lại để tạo thành các module pin.

Quá trình chuyển đổi ánh sáng

Khi một photon va chạm vào một mảnh silic, sẽ xảy ra một trong hai trường hợp sau:

1. Photon đi qua mảnh silic mà không bị hấp thụ. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng cần thiết để đẩy electron lên một mức năng lượng cao hơn.
2. Năng lượng của photon bị hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon cao hơn năng lượng cần thiết để đẩy electron lên một mức năng lượng cao hơn.

Khi photon bị hấp thụ, năng lượng của nó được truyền cho các electron trong mạng tinh thể silic. Những electron này thường ở lớp ngoài cùng và thường liên kết với các nguyên tử láng giềng, do đó chúng không thể di chuyển xa. Khi được kích thích, chúng trở thành dòng điện tự do, có thể di chuyển trong chất bán dẫn. Điều này dẫn đến tình trạng thiếu electron trong nguyên tử, gọi là 'lỗ trống'. Lỗ trống này tạo điều kiện cho electron từ nguyên tử láng giềng di chuyển đến và điền vào lỗ trống này, tạo ra thêm lỗ trống trong nguyên tử láng giềng. Quá trình này tiếp tục kéo dài và lỗ trống di chuyển xuyên suốt chất bán dẫn.

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn mức cần thiết để kích thích electron ở lớp ngoài cùng để dẫn điện. Tuy nhiên, Mặt Trời thường có tần số tương đương với 6000°K, do đó hầu hết năng lượng từ Mặt Trời được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên, hầu hết năng lượng từ Mặt Trời có tác dụng chủ yếu là năng lượng nhiệt thay vì năng lượng điện có thể sử dụng được.