đặt vấn đề an toàn NL lên hàng đầu. Cùng với sự phát triển kinh tế, đời sống của người dân ngày càng tăng cao nên nhu cầu sử dụng NL ngày càng tăng. Nguồn NL truyền thống đang sử dụng chủ yếu là dầu, than đá, khí ga. Nguồn NL hóa thạch này đang được khai thác và sử dụng mạnh mẽ nên đang cạn kiệt dần, dẫn đến mất an ninh NL ở nhiều quốc gia, khu vực và quốc tế; Việc khai thác và sử dụng nhiên liệu hoá thạch quá mức đã phát thải khí nhà kính làm trái đất nóng lên gây ra biến đổi khí hậu đã tác động không nhỏ đến đời sống, môi trường của con người; Sự biến động giá cả của dầu mỏ trên thế giới đã tác động đến giá của nguồn cung NL.Vì vậy, việc phát triển khai thác năng lượng tái tạo (NLTT), đặc biệt là NLMT đang được nhiều nước trên thế giới quan tâm phát triển.
Các ứng dụng của năng lượng mặt trời Ngày nay, con người đã ứng dụng NLMT trong nhiều lĩnh vực như: sưởi ấm không gian và làm mát thông qua kiến trúc NLMT, chưng cất nước uống và khử trùng, chiếu sáng và sinh hoạt, bình nước nóng, sấy thực phẩm, nấu ăn, chạy và sạc xe điện (xe ô tô, xe đạp), sản xuất hydro, sưởi ấm, máy bay, đèn giao thông, chiếu sáng, đồng hồ, bảng quảng cáo, sạc pin, thuyền, túi xách, sân vận động,… [5]. Người ta sử dụng 2 công nghệ để phát điện đó là: Công nghệ quang điện và Công nghệ hội tụ NLMT. Công nghệ NLMT có 2 hình thức hoạt động, hoặc thụ động, hoặc chủ động tùy thuộc vào cách chúng nắm bắt, chuyển đổi và phân phối NLMT. Kỹ thuật NLMT chủ động bao gồm việc sử dụng các tấm pin quang điện và các tấm thu nhiệt để khai thác NL.
Còn kỹ thuật NLMT thụ động có thể minh họa bằng việc hướng một tòa nhà về phía mặt trời, lựa chọn vật liệu có khối lượng nhiệt thuận lợi hoặc ánh sáng phân tán Luan van PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.com to remove the waterma 4 và thiết kế không gian lưu thông không khí tự nhiên trong ngôi nhà đó để khai thác một cách hiệu quả lượng nhiệt thu được từ mặt trời. Khái quát về Pin NLMT Pin NLMT thường gọi là pin mặt trời hay pin quang điện, bao gồm nhiều tế bào quang điện 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. Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel.
Tuy nhiên, cho đến năm 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946. Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan tới việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin. Xét một hệ 2 mức NL điện tử E1 < E2, bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1.
Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có NL hv (trong đó h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức NL E2. Ta có phương trình cân bằng NL: Hình 1. Hệ 2 mức năng lượng Hv = E2 – E1 Trong các vật thể rắn, do tương tác rất, mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức NL của nó bị tách ra nhiều mức sát nhau và tạo thành các vùng NL. Vùng NL thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó là mức NL Ev.
Vùng NL phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có NL là Ec. Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với NL là Eg, trong đó không có mức NL cho phép nào của điện tử. Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có NL hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng có hóa trị thấp hấp thu và trở thành điện tử tự do e-, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể xem như hạt mang điện dương, kí kiệu là h+. Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Luan van PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.com to remove the waterma 5 Hình 1. Các vùng năng lượng Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình: Ev +hv → e- + h+ Điều kiện để điện tử có thể hấp thu NL của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lổ trống là hv = hc/>= Ec – Ev. Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn c của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- và h+: c = hc h = c = 1,24 (m) Ec − Ev E g Eg Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự phát tham gia vào quá trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng NL: điện tử e- giải phóng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+ chuyển đến mặt của Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 - 10-1giây và gây ra dao động mạnh (photon). NL bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là Eph = hv – Eg.
Tóm lại, khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặ hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+, tức là đã tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong. Luan van PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.com to remove the waterma 6 Hình 1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 1.
Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện Ta có thể xác định hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết của quá trình biến đổi quang điện của hệ thống 2 mức sau: c Eg J 0 ( )d = 0 hc J ( ) d 0 0 Trong đó: J 0 ( ) là mật độ photon có bước ; J 0 ( )d là tổng số photon tới có bước sóng trong khoảng : + d ; hc / là NL của photon; Luan van PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.com to remove the waterma 7 c Eg = J 0 ( )d là NL hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình 0 quang điện, J 0 ( ) hc d là tổng NL của các photon tới hệ. 0 Như vậy hiệu suất là một hàm của E g (hình1. Bằng tính toán lý thuyết đối với chất bán dẫn Silicon thì hiệu suất 0. Quan hệ giữa hiệu suất và năng lượng hữu ích 1.
Cấu tạo pin mặt trời Hiện nay nguyên liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ các tinh thể silic chia thành 3 loại: * Đơn tinh thể mô đun sản xuất dựa trên quá trình Crochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất lên tới 16%. Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có mặt trống ở góc nối các mô đun [12] Hình 1.
Pin mặt trời Luan van PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.com to remove the waterma 8 * 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 pin đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Nhưng chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó. * Dãy silic tạo từ các tấm phin mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể.
Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên nó rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon. Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp NL bức xạ NLMT nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin mặt trời. Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tao từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hóa trị 4. Tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5.
Còn vật liệu tinh thể bán dẫn loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3. Đối với pin mặt trời từ tinh thể Si, khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55V và dòng ngắn mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25 ÷ 30mA/cm2. Hiện nay người ta đã chế tạo Pin mặt trời bằng Si vô định hình (a-Si). So với Pin mặt trời tinh thể Si thì Pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và kém ổn định.
Công nghệ chế tạo pin mặt trời gồm nhiều công đoạn khác nhau để cuối cùng ta được mô đun. Ví dụ để chế tạo pin mặt trời từ Si đa tinh thể cần qua các công đoạn như hình 1. Quá trình tạo mô đun pin mặt trời Luan van PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.com to remove the waterma 9 Hình 1. Cấu tạo mô đun mặt trời Các thông tin cơ bản về tấm pin mặt trời: + Công suất từ 25Wp - 175Wp; + Số lượng tế bào trên mỗi tấm pin: 72 tế bào; + Kích thước tế bào 5 - 6; + Hiệu suất : từ 15% - 18%; + Chất liệu của khung: thương là nhôm; + Loại tế bào: monocrystalline và polycrystalline; + Tuổi thọ trung bình của mỗi tấm pin: 25 ÷ 30 năm 1.
Các tham số ảnh hưởng đến chế độ và hiệu suất của pin mặt trời. Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin mặt trời: - Điện trở sơn RSh; - Điện trở nội (điện trở nối tiếp) Rs; - Dòng bão hòa Is; - Cường độ bức xạ mặt trời E; - Nhiệt độ của pin mặt trời T. Luan van PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.