CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về pin mặt trời 1. Năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra từ các ngôi sao. Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỉ năm nữa.
Con người đã biết sử dụng nguồn năng lượng này từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượng mặt trời, nhưng vùng sa mạc. Từ sau cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, năng lượng mặt trời càng được đặc biệt quan tâm. Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời. Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay là điện mặt trời và nhiệt mặt trời.
Phổ bức xạ mặt trời [1] 1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời Pin mặt trời (pin điện quang, hình 1.2) là thiết bị sản xuất ra điện năng từ các chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới các tế bào quang điện, nó sẽ sản sinh ra điện năng. Khi không có ánh sáng, các tế bào này ngưng sản xuất điện.
Quá trình chuyển đổi này còn được gọi là hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com điện 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 nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra. Hiện tượng: khi bề mặt của một tấm 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 chuyển 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 chuyển tạo ra dòng điện (gọi là dòng quang điện).
Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect), hình 1. 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 rào thế (gọi là công thoát). Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn tạo nên hiêu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect).
Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn. Cấu tạo của một tế bào năng lượng mặt trời điển hình [2] 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Hiệu ứng quang điện Việc chuyển đổi từ ánh sáng mặt trời thành dòng điện đòi hỏi sự hình thành của cả điện tích âm và điện tích dương cũng như một lực điều khiển có thể đẩy các điện tích đó qua mạch điện ngoài. Khi được kết nối với mạch điện bên ngoài, bất kỳ thiết bị điện nào, chẳng hạn một màn hình máy tính hay một động cơ của máy bơm nước, có thể sử dụng năng lượng mặt trời đã được chuyển đổi.
Sự phát triển của pin mặt trời Từ trước đến nay, các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than, dầu, khí đốt đã và đang được sử dụng như nguồn năng lượng truyền thống. Tuy nhiên, nguồn nhiên liệu này đang dần cạn kiệt vì hạn chế về số lượng và không thể tái tạo được. Không những thế, sản phẩm của chúng giải phóng một lượng lớn khí CO2, là một trong những tác nhân chính gây nên sự nóng lên toàn cầu. Vì vậy, tìm ra những nguồn năng năng lượng mới để thay thế và giải quyết sự nóng lên toàn cầu đang nhận được rất nhiều sự quan tâm.
Các nguồn năng lượng tự nhiên như năng lượng sinh khối, năng lượng gió, năng lượng biển, năng lượng mặt trời là những nguồn năng lượng có tiềm năng lớn cho việc thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch và đóng vai trò quan trọng trong nỗ lực giảm nguồn khí thải CO2, tránh tác động xấu đến biến đổi khí hậu. Trong đó, năng lượng mặt trời được sử dụng rộng rãi và tiềm năng nhất. Do Việt Nam nằm ở vùng nhiệt đới cận xích đạo nên có số giờ nắng trung bình ngày khá cao, ở miền Nam trung bình đạt 6.5 giờ/ngày, miền Bắc là 4.1 giờ/ngày, một số địa phương có số giờ nắng trung bình ngày cao như Cần Thơ: 6.9 giờ/ngày, Đà Lạt: 6.1 giờ/ngày… Cường độ tổng lượng bức xạ trung bình ngày thuộc loại cao trên thế giới: 5 kWh/m2 (các khảo sát trên thế giới cho thấy cường 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com độ tổng lượng bức xạ trung bình ngày cao nhất đạt 7 kWh/m2, thấp nhất 2 kWh/m2). Những số liệu trên cho thấy pin mặt trời có tiềm năng phát triển rất lớn ở Việt Nam.
Năm 1883, pin mặt trời đầu tiên trên thế giới được Charles Fritts chế tạo bằng cách phủ một lớp rất mỏng kim loại vàng lên bán dẫn selen, pin mặt trời này hoạt động dựa vào chuyển tiếp kim loại – bán dẫn và có hiệu suất khoảng 1%. Năm 1946, Russell Ohl phát minh ra pin mặt trời chuyển tiếp hai lớp bán dẫn đầu tiên. Năm 1954, pin mặt trời silic dạng khối được chế tạo có hiệu suất khoảng 6%; đến cuối thập niên 1980, pin mặt trời silic đã đạt đến hiệu suất 20%, các loại pin mặt trời khác cũng được phát triển và có hiệu suất cao (chủ yếu dựa trên nền GaAs). Năm 1989, pin mặt trời silic đã đạt đến hiệu suất 37%.
Dựa vào lịch sử phát triển và cấu tạo của các loại pin mặt trời, người ta phân thành bốn thế hệ pin mặt trời: 1. Thế hệ thứ nhất: pin mặt trời dạng khối, đơn tinh thể silic (còn gọi là pin mặt trời kiểu truyền thống) được chế tạo từ đế silic, loại pin mặt trời này có hiệu suất rất cao, tuy nhiên giá thành đắt, khó lắp đặt, kích thước nhỏ. Thế hệ thứ hai: pin mặt trời được chế tạo theo công nghệ màng mỏng, các loại vật liệu tạo thành phong phú hơn như silic đa tinh thể, vô định hình, CdTe (cadmium telurit), các hợp kim của CIGS (gồm đồng, indium, galium và selen) và các loại bán dẫn màng mỏng khác. Pin mặt trời thế hệ này có hiệu suất không cao bằng thế hệ đầu nhưng giá thành rẻ hơn, diện tích phơi sáng lớn hơn, gọn nhẹ hơn, có thể tích hợp nhiều chức năng hơn.
Thế hệ thứ ba: Pin mặt trời dạng nano tinh thể, pin quang – điện – hóa, pin mặt trời có thành phần hữu cơ như pin mặt trời nhuộm, pin mặt trời polymer. Ưu điểm lớn nhất của pin mặt trời thế hệ này là giá thành rẻ hơn hẳn hai thế hệ trước, việc lắp đặt và vận chuyển rất dễ dàng, kích thước và hình dạng của hệ rất phong phú và có thể tùy chỉnh theo nhu cầu sử dụng, tuy nhiên hiệu suất thường không cao và quá trình chế tạo có thể gây ô nhiễm môi trường. Thế hệ thứ tư: Pin mặt trời lai vô cơ - hữu cơ, được chế tạo từ vật liệu nano tinh thể phủ trên ma trận nền polymer. Thế hệ pin mặt trời này cải thiện được hiệu suất so với 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com pin mặt trời thế hệ thứ ba và thân thiện với môi trường hơn.
Hiện nay, pin mặt trời thế hệ thứ tư đang là hướng nghiên cứu được các nước phát triển chú trọng nhất. Hiệu suất cao nhất thu được của pin mặt trời dựa trên cấu trúc, vật liệu khác nhau [4] 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Pin mặt trời thương mại hiện nay thường được chế tạo trên nền tảng vật liệu Si dạng khối không những đòi hỏi chi phí chế tạo cao mà còn hạn chế về mặt hiệu suất (Hình 1. Vì vậy, việc khai thác nguồn năng lượng này đang bị hạn chế rất nhiều bởi giá thành cung cấp quá cao so với nhưng nguồn năng lượng khác. Nhu cầu nghiên cứu những thế hệ pin mặt trời mới với hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, giá thành hạ và tuổi thọ dài là hết sức cần thiết.
Nhiều cách tiếp cận đã được thực hiện để hạ thấp giá thành của pin mặt trời dựa trên nền tảng vật liệu Si, trong đó pin mặt trời Si sử dụng cấu trúc màng mỏng được phát triển là một giải pháp tiềm năng [3]. Tuy nhiên, pin mặt trời Si cấu trúc màng mỏng lại có hiệu suất thấp hơn so với pin mặt trời dạng khối do khả năng hấp thụ quang bị hạn chế bởi chiều dày của lớp vật liệu (Hình 1. Pin mặt trời hữu cơ được nghiên cứu phát triển với kỳ vọng là hạ được giá thành cung cấp. Tuy nhiên, vấn đề chính đối với pin mặt trời hữu cơ đó chính là hiệu suất chuyển đổi đạt được chưa cao và có độ ổn định thấp.
Pin mặt trời cấu trúc lai vô cơ-hữu cơ Pin mặt trời thương mại được nghiên cứu và chế tạo trên nền silic do có nguồn tài nguyên dồi dào (Si là nguyên tố phổ biến thứ 2 trên thế giới), dễ dàng chế tạo, không độc hại, có khả năng hoạt động bền bỉ trong thời gian dài [7]. Tuy nhiên, bề mặt silic phẳng có hệ số phản xạ ánh sáng cao nên hầu hết bức xạ mặt trời tới đều không được hấp thụ dẫn đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp. Do đó, các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu tìm ra các phương pháp làm giảm hệ số phản xạ của silic [6]. Trong đó, phương pháp tạo cấu trúc nano trên bề mặt silic được coi là một trong những phương pháp đầy hứa hẹn làm giảm hệ số phản xạ của silic [7].
Si cấu trúc nano làm tăng diện tích bề mặt dẫn đến giảm hệ số phản xạ, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng, do đó tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng [8,9]. Thông thường có hai cách tạo cấu trúc nano silic là “từ trên xuống” và “từ dưới lên”.