Kiến Thức Cơ Bản Về Tế Bào Quang điện Mặt Trời – Intech Energy

Khi ánh sáng chiếu vào tế bào quang điện (PV) – còn được gọi là pin mặt trời – thì ánh sáng đó có thể bị phản xạ, hấp thụ hoặc đi qua tế bào. Tế bào PV được cấu tạo từ vật liệu bán dẫn; “bán” có nghĩa là nó có thể dẫn điện tốt hơn chất cách điện nhưng không tốt bằng chất dẫn điện tốt như kim loại. Có một số vật liệu bán dẫn khác nhau được sử dụng trong các tế bào PV.

Khi chất bán dẫn tiếp xúc với ánh sáng , nó sẽ hấp thụ năng lượng của ánh sáng và truyền nó cho các hạt mang điện tích âm trong vật liệu gọi là electron. Năng lượng bổ sung này cho phép các electron chạy qua vật liệu như một dòng điện. Dòng điện này được chiết xuất thông qua các tiếp điểm kim loại dẫn điện – các đường giống như lưới điện trên tấm pin mặt trời – và sau đó có thể được sử dụng để cung cấp điện cho ngôi nhà của bạn và phần còn lại của lưới điện.

Các hiệu quả của một tế bào PV chỉ đơn giản là lượng điện sắp ra của tế bào so với năng lượng từ ánh sáng chiếu vào nó, mà chỉ ra hiệu quả của các tế bào là chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Lượng điện được tạo ra từ các tế bào PV phụ thuộc vào các đặc tính (chẳng hạn như cường độ và bước sóng) của ánh sáng có sẵn và nhiều thuộc tính hiệu suất của tế bào.

Một thuộc tính quan trọng của chất bán dẫn PV là dải tần, cho biết bước sóng ánh sáng mà vật liệu có thể hấp thụ và chuyển đổi thành năng lượng điện mặt trời. Nếu dải tần của chất bán dẫn phù hợp với bước sóng ánh sáng chiếu vào tế bào PV, thì tế bào đó có thể sử dụng hiệu quả tất cả năng lượng sẵn có.

Tìm hiểu thêm bên dưới về các vật liệu bán dẫn được sử dụng phổ biến nhất cho tế bào PV.

SILICON

Cho đến nay, silicon là vật liệu bán dẫn phổ biến nhất được sử dụng trong pin mặt trời, chiếm khoảng 95% các mô-đun được bán hiện nay. Nó cũng là vật liệu phong phú thứ hai trên Trái đất (sau oxy) và là chất bán dẫn phổ biến nhất được sử dụng trong chip máy tính. Các tế bào silicon tinh thể được tạo ra từ các nguyên tử silicon kết nối với nhau để tạo thành mạng tinh thể. Mạng tinh thể này cung cấp một cấu trúc có tổ chức giúp chuyển đổi ánh sáng thành điện năng hiệu quả hơn.

Các tế bào năng lượng mặt trời làm từ silicon hiện đang mang lại sự kết hợp giữa hiệu quả cao, chi phí thấp và tuổi thọ dài. Các mô-đun dự kiến ​​sẽ tồn tại trong 25 năm hoặc hơn, vẫn tạo ra hơn 80% sức mạnh ban đầu của chúng sau thời gian này.

>>Tham khảo thêm: Nghiên cứu quang điện silicon tinh thể

QUANG ĐIỆN PHIM MỎNG

Pin mặt trời màng mỏng được tạo ra bằng cách đặt một hoặc nhiều lớp mỏng vật liệu PV lên một vật liệu hỗ trợ như thủy tinh, nhựa hoặc kim loại. Có hai loại chất bán dẫn PV màng mỏng chính trên thị trường hiện nay: cadmium telluride (CdTe) và đồng indium gallium diselenide (CIGS). Cả hai vật liệu đều có thể được đặt trực tiếp lên mặt trước hoặc mặt sau của bề mặt mô-đun.

CdTe là vật liệu PV phổ biến thứ hai sau silicon và các tế bào CdTe có thể được tạo ra bằng quy trình sản xuất chi phí thấp. Mặc dù điều này làm cho chúng trở thành một giải pháp thay thế hiệu quả về chi phí, nhưng hiệu quả của chúng vẫn không cao bằng silicon. Các tế bào CIGS có các đặc tính tối ưu cho vật liệu PV và hiệu quả cao trong phòng thí nghiệm, nhưng sự phức tạp liên quan đến việc kết hợp bốn yếu tố khiến quá trình chuyển đổi từ phòng thí nghiệm sang sản xuất trở nên khó khăn hơn. Cả CdTe và CIGS đều cần được bảo vệ nhiều hơn silicon để có thể hoạt động lâu dài ở ngoài trời.

>>Xem thêm: Công nghệ lưu trữ năng lượng sẽ giúp điện mặt trời và điện gió thực chất là gì?

ĐIỆN QUANG PEROVSKITE

Pin mặt trời Perovskite là một loại tế bào màng mỏng và được đặt tên theo cấu trúc tinh thể đặc trưng của chúng. Các tế bào Perovskite được xây dựng bằng các lớp vật liệu được in, tráng hoặc hút chân không lên một lớp hỗ trợ bên dưới, được gọi là chất nền. Chúng thường dễ lắp ráp và có thể đạt hiệu suất tương tự như silicon tinh thể. Trong phòng thí nghiệm, hiệu quả của pin mặt trời perovskite đã được cải thiện nhanh hơn bất kỳ vật liệu PV nào khác, từ 3% vào năm 2009 lên hơn 25% vào năm 2020. Để có thể thương mại hóa, các tế bào PV perovskite phải trở nên đủ ổn định để tồn tại 20 năm ngoài trời, vì vậy các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu để làm cho chúng bền hơn và phát triển các kỹ thuật sản xuất quy mô lớn, chi phí thấp.

QUANG ĐIỆN HỮU CƠ

Tế bào PV hữu cơ , hoặc OPV, được cấu tạo từ các hợp chất giàu carbon (hữu cơ) và có thể được điều chỉnh để nâng cao một chức năng cụ thể của tế bào PV, chẳng hạn như dải băng, độ trong suốt hoặc màu sắc. Các tế bào OPV hiện chỉ hiệu quả bằng một nửa so với các tế bào silicon tinh thể và có thời gian hoạt động ngắn hơn, nhưng có thể ít tốn kém hơn khi sản xuất với khối lượng lớn. Chúng cũng có thể được áp dụng cho nhiều loại vật liệu hỗ trợ, chẳng hạn như nhựa dẻo, làm cho OPV có thể phục vụ nhiều mục đích sử dụng khác nhau.

>>Tham khảo thêm: Nghiên cứu quang điện silicon tinh thể

CHẤM LƯỢNG TỬ

Các tế bào năng lượng mặt trời chấm lượng tử dẫn điện thông qua các hạt nhỏ của các vật liệu bán dẫn khác nhau chỉ rộng vài nanomet, được gọi là chấm lượng tử. Các chấm lượng tử cung cấp một phương pháp mới để xử lý vật liệu bán dẫn, nhưng rất khó để tạo ra một kết nối điện giữa chúng, vì vậy chúng hiện không hiệu quả lắm. Tuy nhiên, chúng rất dễ chế tạo thành pin mặt trời. Chúng có thể được lắng đọng trên bề mặt bằng phương pháp tráng phủ quay, máy phun hoặc máy in cuộn như những máy in được sử dụng để in báo.

Các chấm lượng tử có nhiều kích cỡ khác nhau và dải tần của chúng có thể tùy chỉnh, cho phép chúng thu thập ánh sáng khó bắt và được ghép nối với các chất bán dẫn khác, như perovskites, để tối ưu hóa hiệu suất của pin mặt trời đa chức năng (thêm thông tin về những thứ bên dưới).

QUANG ĐIỆN ĐA CHỨC NĂNG

Một chiến lược khác để cải thiện hiệu suất pin PV là xếp nhiều lớp bán dẫn để tạo ra pin mặt trời đa chức năng . Các tế bào này về cơ bản là các chồng vật liệu bán dẫn khác nhau, trái ngược với các tế bào tiếp giáp đơn, chỉ có một chất bán dẫn. Mỗi lớp có một dải tần khác nhau, vì vậy mỗi lớp hấp thụ một phần khác nhau của quang phổ mặt trời, tận dụng nhiều ánh sáng mặt trời hơn so với các tế bào tiếp giáp đơn. Các tế bào năng lượng mặt trời đa chức năng có thể đạt đến mức hiệu suất kỷ lục vì ánh sáng không bị lớp bán dẫn đầu tiên hấp thụ sẽ bị một lớp bên dưới bắt giữ.

Trong khi tất cả các tế bào năng lượng mặt trời có nhiều hơn một dải băng tần là pin mặt trời đa chức năng, một tế bào năng lượng mặt trời có chính xác hai dải băng tần được gọi là pin mặt trời song song. Pin mặt trời đa chức năng kết hợp các chất bán dẫn từ cột III và V trong bảng tuần hoàn được gọi là pin mặt trời đa chức năng III-V.

Các tế bào năng lượng mặt trời đa chức năng đã chứng tỏ hiệu suất cao hơn 45%, nhưng chúng đắt và khó sản xuất, vì vậy chúng được dành cho việc khám phá không gian. Quân đội đang sử dụng pin mặt trời III-V trong máy bay không người lái và các nhà nghiên cứu đang khám phá các mục đích sử dụng khác cho chúng, nơi hiệu quả cao là chìa khóa.

NỒNG ĐỘ QUANG ĐIỆN

PV tập trung, còn được gọi là CPV, tập trung ánh sáng mặt trời vào pin mặt trời bằng cách sử dụng gương hoặc thấu kính. Bằng cách tập trung ánh sáng mặt trời vào một khu vực nhỏ, cần ít vật liệu PV hơn. Vật liệu PV trở nên hiệu quả hơn khi ánh sáng trở nên tập trung hơn, do đó, hiệu suất tổng thể cao nhất thu được với các tế bào và mô-đun CPV. Tuy nhiên, đòi hỏi các vật liệu đắt tiền hơn, kỹ thuật sản xuất và khả năng theo dõi chuyển động của mặt trời, do đó, việc chứng minh lợi thế chi phí cần thiết so với các mô-đun silicon khối lượng lớn ngày nay đã trở nên khó khăn.

Xem thêm:

• • Tìm hiểu về hệ thống quang điện mặt trời
  • Công nghệ quang điện (PV) là gì và nó hoạt động như thế nào?
  • Nghiên cứu về tế bào quang điện mặt trời