Chương 1. TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 1.1 Giới thiệu chung về pin mặt trời Năng lượng của Mặt trời truyền đến Trái đất dưới dạng sóng điện từ. Mặt trời đang phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ vào khoảng 6,4×107W/m2. Khi chiếu xuống Trái đất 30% năng lượng bức xạ Mặt trời bị phản xạ trở lại không gian.
Mật độ công suất của năng lượng Mặt trời trên bề mặt Trái đất vào khoảng 980 W/m2 [28]. Khoảng 47% năng lượng này được sử dụng để giữ ấm Trái đất cho các sinh vật sinh sống, 23% năng lượng còn lại được lưu trữ trong nước biển. Năng lượng gió, sóng và năng lượng đối lưu chiếm khoảng 0,2% năng lượng Mặt trời chiếu xuống Trái đất tương đương khoảng 0,37×1012 kW [29]. Năng lượng Mặt trời là một nguồn năng lượng tái tạo thiết yếu.
Vào năm 2011, Cơ quan Năng lượng Quốc tế cho biết "sự phát triển của các công nghệ năng lượng Mặt trời sạch, vô hạn và giá cả phải chăng sẽ mang lại những lợi ích to lớn lâu dài hơn. Tăng cường tính bền vững, giảm thiểu ô nhiễm, giảm chi phí giảm thiểu sự nóng lên toàn cầu" [30]. Hiện nay, các phương pháp khai thác năng lượng mặt trời chủ yếu sử dụng các hệ thống pin mặt trời (hệ thống quang điện). Năng lượng mặt trời đã rẻ hơn so với nhiên liệu hóa thạch kể từ năm 2021 [31].
Pin mặt trời hay còn gọi là tế bào quang điện là một linh kiện điện tử biến đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng thành điện năng dựa trên hiệu ứng quang điện. Sự phát triển của pin mặt trời bắt nguồn từ công trình nghiên cứu của nhà vật lý người Pháp Alexandre Edmond Becquerel vào năm 1839. Ông đã phát hiện ra hiệu ứng quang dẫn khi thử nghiệm với một điện cực rắn trong dung dịch điện phân. Ông quan sát thấy rằng khi ánh sáng chiếu vào điện cực, sẽ xuất hiện một điện áp.
Việc khám phá ra hiện tượng quang dẫn trong Selen đã dẫn đến việc chế tạo pin mặt trời Selen đầu tiên bởi W. Năm 1883, pin mặt trời thực sự đầu tiên chỉ có hiệu suất khoảng 1% được chế tạo bởi Charles Fritts, ông đã phủ Selen bán dẫn bằng lớp vàng rất mỏng và trong suốt để tạo thành lớp tiếp giáp điện cực. Một loại pin mặt trời tiếp giáp kim loại bán dẫn khác, được làm bằng đồng và đồng ôxít bán dẫn đã được báo cáo vào năm 1927. Đến năm 1930, cả tế bào Selen và tế bào đồng ôxít đều được sử dụng trong các thiết bị nhạy sáng, chẳng hạn như quang kế để chụp ảnh.
Những tế bào năng lượng mặt trời ban đầu này có hiệu suất chuyển đổi năng lượng dưới 1%. Hiệu suất của pin mặt trời được nâng cao đáng kể với sự phát triển của pin mặt trời Silic do Russell Ohl phát minh vào năm 1941. Năm 1954, ba nhà nghiên cứu người Mỹ, đó là G. Pearson, Daryl Chapin và Calvin Fuller, đã chứng minh pin mặt trời silic với hiệu suất chuyển đổi là 6% khi sử dụng dưới ánh sáng mặt trời trực tiếp.
Hiệu suất của pin tăng lên 14% vào năm 1958 8 và 28% vào năm 2016 [32]. Đối với pin mặt trời có cấu trúc kiểu màng mỏng, Reynolds đã báo cáo về pin mặt trời dị liên kết Cu 2 S/CdS màng mỏng đầu tiên với hiệu suất 6%. Năm 1956, Jenny báo cáo một pin mặt trời GaAs có hiệu suất chuyển đổi 4% [33]. Bonnet và Rabenhorst đã báo cáo một pin mặt trời màng mỏng CdTe/CdS vào năm 1972 với hiệu suất 6%.
Wagner và cộng sự đã báo cáo một pin mặt trời màng mỏng dị liên kết CuInSe 2 /CdS với hiệu suất chuyển đổi 12% [34]. Từ đó đến nay hiệu suất của pin mặt trời không ngừng được cải thiện.2 Phân loại pin mặt trời Hình 1. Phân loại pin mặt trời [35] Pin mặt trời có thể được phân loại theo nhiều cách, phân loại theo phương pháp chế tạo hoặc phân loại dựa trên vật liệu làm lớp hấp thụ ánh sáng chính trong cấu trúc của pin. Phân loại theo vật liệu làm lớp hấp thụ ánh sáng thì công nghệ pin mặt trời có thể được phân loại thành ba thế hệ.
Đây là cách phân loại pin mặt trời thông dụng nhất, được mô tả ở hình 1.1 Pin mặt trời thế hệ đầu tiên Các tế bào năng lượng mặt trời thế hệ đầu tiên chính là pin mặt trời silic, dựa trên lớp tiếp giáp p-n của chất bán dẫn silic. Tế bào silic có hiệu suất cao, trung bình khoảng 20%, nhưng cần silic rất tinh khiết và giá thành cao so với lượng điện tạo ra. Các pin mặt trời này được sản xuất từ silic nguyên chất và hiệu suất lý thuyết của chúng có thể đạt tối đa 33%. Hiện nay, pin mặt trời thế hệ đầu tiên bao gồm cả silic đơn tinh thể và đa tinh thể chiếm hơn 90% thị phần thương mại.
Các quy trình sản xuất pin mặt trời thế hệ đầu tiên vẫn còn đắt đỏ. Thời gian để hoàn vốn đầu tư ban 9 đầu của pin mặt trời silic có thể mất 5-6 năm [36].2 Pin mặt trời thế hệ thứ hai Pin mặt trời thế hệ thứ hai hay còn gọi là pin mặt trời màng mỏng. Loại pin này được kỳ vọng là sẽ giảm giá thành sản xuất so với thế hệ đầu tiên bằng cách sử dụng công nghệ màng mỏng. Do đó, pin mặt trời màng mỏng được coi là loại pin mặt trời tiềm năng có chi phí thấp, hiệu suất cao, có thể thay thế pin mặt trời Si trên thị trường pin mặt trời.
Ưu điểm của pin mặt trời màng mỏng so với pin mặt trời Si là kỹ thuật xử lý ở nhiệt độ thấp, sử dụng ít vật liệu và khả năng tương thích của nó với đế giá rẻ. Kết hợp tất cả những ưu điểm này, pin mặt trời màng mỏng chi phí thấp có thể đạt được và phù hợp với các tiêu chí cho các ứng dụng quy mô lớn. Các loại pin mặt trời màng mỏng dựa trên các vật liệu bán dẫn bao gồm: cadmium telluride (CdTe), đồng-indi-gali selen (CIGS), đồng-kẽm-thiếc- lưu huỳnh (CZTS) và pin mặt trời silic (a-Si) vô định hình. Trong đó, CdTe, CIGS và pin mặt trời màng mỏng silic vô định hình đã được thương mại hóa hơn 20 năm trước [37].3 Pin mặt trời thế hệ thứ ba Pin mặt trời thế hệ thứ ba đã và đang được phát triển để nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện.
Thế hệ thứ ba được kỳ vọng hiệu quả hơn thế hệ thứ hai trong khi vẫn duy trì chi phí sản xuất thấp. Các mục tiêu là thúc đẩy các tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng sử dụng các phương pháp tiếp cận mới, để đạt được hiệu suất trong khoảng 30 đến 60%. Các pin năng lượng mặt trời nhạy màu, đang phát triển mạnh mẽ với các phương pháp tiếp cận mới có chi phí thấp. Trong những năm gần đây, Siegler và các đồng nghiệp của ông đã chế tạo được pin perovskite chì halogen hữu cơ thay thế cho pin năng lượng mặt trời nhuộm nhạy ( Dye-sensitized solar cell) [38].
Cấu trúc của pin là một màng mỏng dị liên kết đơn giản. Hợp chất perovskite chì kim loại hữu cơ (CH 3 NH 3 PbI 3 ) hiện là vật liệu màng mỏng hàng đầu vì nhiều đặc tính có lợi để tạo ra pin mặt trời với chi phí thấp và hiệu quả cao. CH 3 NH 3 PbI 3 (động rộng vùng cấm: 1,5 eV) có hệ số hấp thụ cao trên 105cm- 1 , có nghĩa là tất cả các photon tiềm năng của ánh sáng mặt trời có năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm có thể được hấp thụ trong lớp hấp thụ CH 3 NH 3 PbI 3 dày 400 nm. Mặt khác, có một số cách tiếp cận khác có thể cải thiện hiệu suất của pin mặt trời thế hệ thứ ba như tách quang phổ (pin mặt trời đa lớp tiếp xúc), sử dụng bộ tập trung ánh sáng (bằng thấu kính, gương cầu), tạo nhiều cặp electron-lỗ trống bởi một photon và một số phương pháp khác.
Các công nghệ liên quan đến pin mặt trời thế hệ thứ ba bao gồm tế bào quang điện đa chức năng, tế bào song song và tế bào có cấu trúc nano 10 để thu nhận ánh sáng tới tốt hơn và chuyển đổi năng lượng nhiệt dư thừa để cải thiện hiệu suất của pin [39].3 Pin mặt trời đồng indi gali selen (CIGS) 1.1 Tổng quan về pin mặt trời CIGS Silic đơn và đa tinh thể đang chiếm thị phần lớn của pin mặt trời do công nghệ pin mặt trời silic là công nghệ hoàn thiện nhất trong ngành công nghiệp pin mặt trời. Hiện nay, pin mặt trời silic có hiệu suất trung bình khoảng 20%. Tuy nhiên, các quy trình sử dụng để sản xuất pin mặt trời silic đơn tinh thể rất tốn kém. Cần có silic rất tinh khiết và giá cả tương đối cao so với lượng điện thu được.
Pin mặt trời silic đơn tinh thể được sản xuất từ silic tinh khiết cho thấy hiệu suất lên tới 25% so với hiệu suất tối đa lý thuyết là 33%. Mặc dù thị phần của loại pin mặt trời silic đang giảm dần, nhưng pin mặt trời silic vẫn chiếm hơn 90% sản lượng pin thương mại. Silic là một trong những chất bán dẫn có vùng cấm gián tiếp, độ hấp thụ ánh sáng thấp hơn so với các chất bán dẫn có vùng cấm trực tiếp như GaAs, CdTe, CIGS. Do đó, độ dày màng của pin mặt trời silic dày hơn nhiều so với pin màng mỏng.
Cần ít nhất 10 lần Si tinh thể để hấp thụ cùng một lượng ánh sáng mặt trời so với các chất bán dẫn khác như GaAs, CdTe, v. Do đó, một số chất bán dẫn vô cơ có độ hấp thụ ánh sáng cao đã được nghiên cứu để giảm giá thành của pin mặt trời silic. Độ dày của các loại pin mặt trời màng mỏng vô cơ so với pin silic Các nghiên cứu gần đây cho thấy hiệu suất của các tế bào pin mặt trời CIGS, CdTe đã vượt 20%. Tất cả các pin mặt trời màng mỏng đều nhẹ hơn, mỏng hơn so 11 với pin mặt trời silic.
Pin mặt trời màng mỏng có thể mỏng hơn 100 lần so với pin mặt trời silic đơn và đa tinh thể được minh họa ở hình 1. Sản lượng pin mặt trời trên toàn cầu qua các năm [40] Pin mặt trời CIGS nguyên thủy bắt nguồn từ pin mặt trời sử dụng hợp chất đồng sunfua (Cu 2 S). Loại pin Cu 2 S đầu tiên, được tạo ra vào năm 1954 bởi Reynolds, cấu tạo gồm lớp loại bán dẫn loại p được làm từ Cu 2 S phù hợp với lớp bán dẫn loại n cadmium sulfua (CdS). Pin có hiệu suất chuyển đổi quang điện là 6% [41].