CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1. KHÁI NIỆM Pin Mặt Trời, tấm năng lượng Mặt Trời hay tấm quang điện (tiếng Anh: 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.1: Tế bào quang điện Hình ảnh một tế bào quang điện thông dụng được làm từ tinh thể silicon. Trên bề mặt pin được phủ các đường dẫn bằng kim loại với các nhánh nhỏ hơn toả ra trên bề mặt pin để thu thập 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.
9 Sinh viên: Nguyễn Đức Khoa Lớp: DCL K25 Mã sinh viên: 2113102007 Khoa: Điện – Điện tử Đồ án tốt nghiệp GVHD: Phạm Đức Thuận Các pin năng lượng Mặt Trời có nhiều ứng dụng trong thực tế. Do giá thành còn đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo Trái Đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước,. Các tấm pin năng lượng Mặt Trời được thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng Mặt Trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. Các tấm pin Mặt Trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như loài hoa hướng dương hướng về ánh sáng Mặt Trời.
NỀN TẢNG Tìm hiểu về pin Mặt Trời, thì cần một chút lý thuyết nền tảng về vật lý chất bán dẫn. Để đơn giản, miêu tả sau đây chỉ 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, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng. Silic nguyên tố không tìm thấy trong tự nhiên mà tồn tại dạng hợp chất phân tử ở thể rắn.
Cơ bản có hai loại chất rắn silicon, là vô định hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều). Pin năng lượng Mặt Trời phổ biến nhất là dạng đa tinh thể silicon. Silic là vật liệu bán dẫn. Nghĩa là trong thể rắn của silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được.
Đơn giản hiểu là có lúc dẫn điện, có lúc không dẫn điện. Lý thuyết này 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 10 Sinh viên: Nguyễn Đức Khoa Lớp: DCL K25 Mã sinh viên: 2113102007 Khoa: Điện – Điện tử Đồ án tốt nghiệp GVHD: Phạm Đức Thuận 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.3 VẬT LIỆU VÀ HIỆU SUẤT Đã có nhiều loại vật liệu khác nhau được thử nghiệm chế tạo pin Mặt Trời. Có hai tiêu chuẩn đánh giá, là hiệu suất và giá cả. 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 1000 W/m². trong đó 10% hiệu suất của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W. hiệu suất của pin Mặt Trời thay đổi từ 6% từ pin Mặt Trời làm từ silic vô định hình, và có thể lên đến 30% hay cao hơn nữa. Ngày nay thì vật liệu chủ yếu chế tạo pin Mặt Trời (và cho các 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 chế tạo dựa trên Công nghệ sản xuất tấm mỏng, có độ dày 300 μm và xếp lại để tạo nên các module tạo thành các loại pin trên.4 SỰ CHUYỂN ĐỔI ÁNH SÁNG 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 11 Sinh viên: Nguyễn Đức Khoa Lớp: DCL K25 Mã sinh viên: 2113102007 Khoa: Điện – Điện tử Đồ án tốt nghiệp GVHD: Phạm Đức Thuận 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 các hạt electron trong mạng tinh thể.
Thông thường các electron này thuộc lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong chất bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là "lỗ trống". Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến và điền vào "lỗ trống", điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống".
Cứ tiếp tục như vậy "lỗ trống" 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 đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng Mặt Trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên hầu hết năng lượng Mặt Trời có tác dụng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được.
Ngành công nghiệp năng lượng mặt trời đang trải qua một giai đoạn phát triển đáng chú ý trong bối cảnh các vấn đề về biến đổi khí hậu và tình trạng cạn kiệt nguồn tài nguyên, năng lượng mặt trời đã trở thành một lựa chọn hấp dẫn để đáp ứng nhu cầu năng lượng của con người và đóng góp vào việc bảo vệ môi trường.5 QUY TRÌNH SẢN XUẤT Bước 1: Cát Tất cả đều được bắt đầu bằng nguyên liệu thô, hầu hết các tấm pin năng lượng mặt trời đều được làm từ silicon, là thành phần chính trong cát biển tự nhiên nên trong trường hợp này chúng tôi sử dụng nguồn nguyên liệu chính là cát. Silicon là nguyên vật liệu dễ kiếm, dễ có và nó là nguyên tố có sẵn nhiều thứ hai của Trái Đất. Tuy nhiên, việc chuyển đổi cát thành silicon cao cấp có chi phí rất cao và là một quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng. Silic có độ tinh khiết cao được sản xuất từ cát thạch anh trong lò phản ứng hồ quang ở nhiệt độ cao Bước 2: Thỏi Silic ở hình dạng nguyên liệu thô thường có hình dạng là đá rắn.
Hàng trăm loại đá loại đá này được nấu chảy ở nhiệt độ rất cao để tạo thành thỏi có 12 Sinh viên: Nguyễn Đức Khoa Lớp: DCL K25 Mã sinh viên: 2113102007 Khoa: Điện – Điện tử Đồ án tốt nghiệp GVHD: Phạm Đức Thuận hình dạng hình trụ. Để đạt được hình dạng mong muốn, một lò nung hình trụ bằng thép được tạo ra và sử dụng riêng cho mục đích này. Trong quá trình nung chảy, người ta sẽ quan sát và chú ý đến tất cả các nguyên tử, để chúng tạo ra các liên kết hoàn hảo theo cấu trúc và định hướng mong muốn.