Chương 1 Tổng quan về pin mặt trời Chương 2 Lý thuyết về mô phỏng SCAPS-ID Chương 3 Mô hình hóa và mô phỏng các thông số hoạt động của pin mặt trời Cu(n,AlSz Chuong 1. TONG QUAN VE PIN MAT TROI 1. Năng lượng mặt trời Với sự phát triển của nền kinh tế thế giới, nhu cầu ngày càng tăng đối với các nguồn năng lượng đã trở thành một trong những thách thức lớn nhất đối với con người. Các nguồn năng lượng truyền thống như nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong những năm qua và do đó, xu thế của thế giới bắt đầu tập trung vào các nguồn năng lượng tái tạo (NLTT) như năng lượng mặt trời (NLMT), năng lượng gió, năng lượng sinh khối,.
Trong đó, NLMT do có trữ lượng rất lớn và đặc tính thân thiện với môi trường, thường được coi là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất [14]. Hiện nay, xu thế của phát triển NLTT trên toàn cầu đang chuyển dần sang phát triển các công nghệ NLMT có tốc độ tăng trưởng cao và liên tục, trong đó công nghệ điện mặt trời có vai trò quan trọng nhất. I 2020 2030 9,9% 21% 1 = I “2 1 “4 I s 1 S I s- I m I JF 1 6000 MW 3 ø 1 en I = I 6 I I | 2000 MW I soomw 800MW_ 850MW 1 LTT I đ ! Điện sinh khối Điện gió Điện mặt trời Điện sinh khối Điện gió Điện mặt trời Nguồn: QHĐ VII điều chỉnh (tính toán dựa trên sản lượng điện dự báo năm 2020/2030 Hình 1. Công suất năng lượng tái tạo dự kiến trong năm 2020-2030 tại quốc gia[42].
Các nguyên nhân chính đối với sự phát triển mạnh của các công nghệ NLMT gồm [39]: (1) Công nghệ ngày càng hoàn thiện, dẫn đến giá NLMT càng ngày càng giảm sâu. (2) Vấn đề an ninh NLMT là nguồn năng lượng địa phương nên không phụ thuộc vào nguồn nhập khâu, và do đó không phụ thuộc vào các biến đổi chính trị và các tác động khác. (3) Các nguồn năng lượng hóa thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu năng lượng không ngừng tăng. (4) Ô nhiễm môi trường do khai thác sử dụng năng lượng hóa thạch đã đến mức báo động, dẫn đến các hiện tượng biến đổi khí hậu trên toàn cầu.
Việc cắt giảm phát thải, sử dụng các nguồn năng lượng sạch - các nguồn NLTT noi chung và nguồn NLMT nói riêng, vì vậy trở nên cấp bách và càng ngày càng có tính nghĩa vụ đối với các quốc gia. (5) Một nguyên nhân quan trọng khác của sự phát triển mạnh mẽ của NLMT nói riêng va NLTT noi chung là sự quan tâm của các chính phủ trong việc xây dựng, ban hành và thực hiện các chính sách phù hợp. Sự phát triển công nghệ NLMT đã tạo ra một ngành công nghiệp mới gọi là công nghiệp NLMT, tạo ra hàng triệu công ăn việc làm, góp phần phát triển kinh tế - xã hội, bảo vệ môi trường và tăng cường an ninh năng lượng ở nhiều quốc gia trên thế giới. Các số liệu khảo sát cường độ bức xạ mặt trời tại Việt Nam ở các vùng miền của đất nước [42].
Số giờnắng | Bức xạ mặt trời. Khu vực Xếp loại hàng năm (kWh/m?/ngày) Dong Bac 1600 - 1750 3,3-4,1 Trung binh Tay Bac 1750 - 1800 4,1-4,9 Trung binh Bắc Trung Bộ 1700 - 2000 4,6 - 5,2 Tốt Tây Nguyên và Nam by 2000 - 2600 4,9 -5,7 Rat tốt Trung Bộ Nam bộ 2200 - 2500 4,3 -4,9 Rat tot Việt Nam được đánh giá là có nguôn tài nguyên NLMT vào loại tốt trên thé giới với khoảng 843 triệu MWlh/năm theo ước tính của Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia Hoa Kỳ (NREL). Các số liệu ở Bảng 1.1 cho thấy Việt Nam thuộc vùng có bức xạ mặt trời vào loại cao trên thế giới, với số giờ nắng đao động từ 1600 - 2600 giờ/năm, (trung bình xấp xỉ 5 kWh/m7/ngay), được đánh giá là khu vực có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt là tại khu vực miền Trung và miền Nam [41]. Đây là nguồn năng lượng sạch và tiềm năng lớn này hoàn toàn có thể tham gia đóng góp vào cân bằng năng lượng quốc gia.
Các thế hệ pin mặt trời Thế hệ pin mặt trời thứ nhất: Bao gồm pin mặt trời đơn tính thể và Pin mặt trời đa tinh thê Silic. Day là loại công nghệ lâu đời nhất và được sử dụng phổ biến nhất do hiệu quả cao (15 - 20%), năm 2010 pin mặt trời thế hệ này chiếm khoảng 80% thi phan thương mại [38]. Pin mặt trời thế hệ thứ nhất được sản xuất trên các tắm wafer. Mỗi wafer có thể cung cấp năng lượng 2 - 3 watt.
Các mô-đun NLMT được sử dụng để tăng sức mạnh. Lợi ích của công nghệ pin mặt trời này nằm ở hiệu suất tốt do hấp thụ được dãy quang phổ ánh sáng rộng, cũng như độ ôn định cao. Tuy nhiên, khuyết điểm của pin mặt trời thế hệ này là công nghệ chế tạo có giá thành cao sử dụng nhiều năng lượng trong nuôi và cắt wafer. Sử dụng nhiều hóa chất độc hại trong quá trình chế tạo.
PIN MẶT TRỜI Hình 1. Các thế hệ pin mặt trời. Pin mặt trời thế hệ thứ hai: Tập trung vào pin mặt trời màng mỏng a- S1, pin mặt trời mc-S1, pin mặt trời CdTe, pin mặt trời CIS và CIGS. Hiệu suất điển hình là 10 - 15%.
Pin mặt trời tái tạo thường được gọi là pin mặt trời màng mỏng vì khi so sánh với các tế bào dựa trên tinh thé Silicon, ching được làm từ các lớp vật liệu bán dẫn chỉ dày vài micromet [17]. Ưu điểm nổi bậc của pin mặt trời thế hệ thứ hai là giá thành thấp so với pin mặt trời thế hệ thứ nhất, có thé lắng đọng trên các để dẻo và có trọng lượng nhẹ. Tuy nhiên, chúng cũng có khuyết điểm là có hiệu suất chuyên đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng thấp hơn, tuổi thọ cũng thấp hơn so với pin mặt trời thế hệ thứ nhất. Đồng thời pin mặt trời thế hệ này phải sử dụng một số vật liệu có độc tính.
Các vật liệu sử dụng thành công nhất cho pin mặt trời thế hệ thứ hai là Cu(In,Ga)Se› và CdTe [24], [38], [39]. Pin mat troi thé hệ thứ ba: Được sử dụng các tế bào pin mặt trời có hiệu suất. Hầu hết các công nghệ trong thế hệ này chưa mang tính thương mại, nhưng có rất nhiều nghiên cứu đang diễn ra trong lĩnh vực này. Mục tiêu là làm cho pin mặt trời thế hệ thứ ba có giá rẻ để sản xuất.
Thế hệ pin mặt trời thứ ba bao gồm chấm lượng tử, Polyme, Perovskite, tinh thể nano và pin mặt trời nhạy màu. Lợi ích của các loại pin mặt trời này là quy trình và công nghệ chế tạo đơn giản, sử dụng ít năng lượng trong quá trình chế tạo, có thể sản xuất các tắm pin mặt trời mỏng, nhẹ với giá thành thấp; đặc biệt riêng pin mặt trời DSSC có khả năng sản xuất điện năng trong điều kiện ánh sáng yếu. Đây chính là thế hệ pIn mặt trời có ưu thế cạnh tranh lớn nhất với thế hệ pin mặt trời sử dụng wafer Silicon. Khuyết điểm chung của các pin mặt trời thế hệ này là vật liệu sử dụng có năng lượng vùng cắm cao (E, lớn), hiệu suất chuyền hóa năng lượng thấp, riêng pin polymer còn có hiện tượng giảm hiệu suất theo thời gian sử dụng [40].
Pin mặt trời thế hệ thứ tư: Phát triển từ pin mặt trời thế hệ thứ ba, thế hệ pin mặt trời lai thứ tư ra đời, kết hợp giữa nano tinh thể bán dẫn vô cơ và polymer dan dién tao thanh nano composite polymer [3]. Ưu diém cua pin mặt trời thế hệ thứ tư là có kích thước mỏng, nên có thê kết hợp phủ nhiều lớp lên nhau đề tạo thành pin hap thu nhiều dãy sóng ánh sáng khác nhau nhằm tăng hiệu xuất chuyển hóa năng lượng. Pin mặt trời thế hệ thứ tư được sản xuất theo quy trình lỏng - tự sắp xếp, áp dụng được các quy trình công nghệ đơn giản như ïn phun, 1n lụa giúp giảm giá thành. Efficiency (%) 10 Khuyết điểm của thế hệ pin này là hiệu suất chuyên hóa năng lượng vẫn còn thấp so với pin mặt trời Silicon trên nền wafer, polymer sử dụng trong pin thế hệ này cũng bị thoái hóa theo thời gian, làm hiệu suất của pin giảm theo thời gian sử dụng.
Có thê hình dung bức tranh tổng quát các thế hệ pin mặt trời theo Hình 1.3 của Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia (NREL). 92 48 % B Best Research-Cell Efficiencies NREL LU ice nakhel © CIGS (concent) a ® G65 WN = ete, metamorphic 0 Cie Y¥ Thvee uncon concerto) © Amorphous Sit stebiied) 1. ¥ Thvee uncon non-concenalr) Emerging PV L. Twojuncton (on-conceirato) © Fourjunction or more (concentrator) 1 Fourjuneton or more non-concentalor) 0d NREL (MM) Single-Junction GaAs A Single crystal Ay Concentrator 'Ÿ Thin-fim crystal Crystalline Si Celis 1 Single crystl(ooncenrator) Single crystal (on-concentato) f Mticysialine Ÿ Thiinysal fee Pi a ]-jci-i-il] se pcrei-kee-p-p.l pe ee 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 Hình 1.
Sự phát triển của các thế hệ pin mặt trời va hiệu suất cao nhất qua các năm (1975- 2020) [41]. Cơ sở vật lý của pin mặt trời 1. Hiệu ứng quang điện [43] Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện — lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ. Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên hiệu ứng Hertz, do nha khoa hoc Heinrich Hertz tim ra.
11 Lớp bán dẫn Tiếp xúc kim loại ——~* Cặp electron và lỗ trống Hình 1. Cấu trúc của một thiết bị quang điện điển hình [14]. Hiện tượng: Khi bề mặt của một tắm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số thích hợp (lớn hơn một tần số ngưỡng đặc trưng cho mỗi kim loại), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và chuyền lên vùng dẫn tạo thành các điện tử tự do e' đồng thời để lại các lỗ trống mang điện dương, các hạt mang điện này di chuyên tạo ra dòng điện (gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tắm kim loại, ta có hiệu Ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect), (Hình 1.
Hiện tượng của hiệu ứng quang điện [43]. Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi hang rào thế (gọi là công thoát). Điện tử phát xạ ra đưới tác dụng của bức 12 xạ điện từ được gọi là quang điện tử.