CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Các thế hệ pin mặt trời 1. Giới thiệu Ngày nay, nhu cầu sử dụng năng lượng của con người ngày càng tăng cao, do sự phát triển của các nền công nghiệp sản xuất trong thời đại cách mạng khoa học kĩ thuật 4. Phần lớn năng lượng sử dụng trong cuộc sống con người hiện nay đều đang phụ thuộc vào các nguồn nguyên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt, v.
để tạo ra điện và sử dụng trong các động cơ xe. Tuy nhiên, các nguồn nhiên liệu hóa thạch này không thể tái tạo. Vì vậy, với tốc độ khai thác tài nguyên ngày càng cao như hiện nay, con người đang phải đối mặt với tương lai cạn kiệt tài nguyên và thiếu hụt năng lượng. Ngoài ra, việc sử dụng những nguồn năng lượng hóa thạch đã và đang thải ra môi trường lượng lớn khí thải như CO2 hay SO2, dẫn tới biến đổi khí hậu, sự ô nhiễm môi trường ngày càng nặng nề, tạo hiệu ứng nhà kính, và sự nóng lên toàn cầu [1].
Do đó, các nhà khoa học trên thế giới đã và đang nghiên cứu để phát triển các nguồn nguyên liệu thay thế. Các nguồn năng lượng tái tạo hiện nay đã đạt được những bước tiến quan trọng và từng bước thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, hướng đến sự phát triển bền vững, thay thế hoàn toàn việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch trong tương lai. Các dạng năng lượng tái tạo quan trọng hiện đang được sử dụng bao gồm pin nhiên liệu, nhiên liệu sinh học, năng lượng gió, năng lượng sóng biển và thủy triều, và năng lượng mặt trời. Trong đó, năng lượng mặt trời là năng lượng được chuyển đổi từ ánh sáng mặt trời.
Năng lượng mặt trời có ưu điểm là an toàn, không tạo ra khí thải hay các chất ô nhiễm, và không tạo ra tiếng ồn. Để khai thác nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời, có hai loại công nghệ hiện đang được sử dụng, đó là công nghệ gia nhiệt bằng ánh sáng mặt trời và pin mặt trời. Pin mặt trời là công nghệ chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng. Sản lượng điện mặt trời trên thế giới dự đoán sẽ đạt 345 GW vào năm 2020 và 1081 GW vào năm 2030.
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời là dựa vào hiệu ứng quang điện [2]. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện được phát hiện lần đầu bởi nhà vật lý Pháp A. Đây là hiệu ứng các điện tử hấp thu năng lượng từ các photon ánh sáng 1 và chuyển sang trạng thái kích thích, tách ra khỏi vật chất hay nguyên tử. Hiệu ứng quang điện được mô tả ở hình 1.
Việc nghiên cứu hiệu ứng quang điện đã đưa tới những bước quan trọng trong việc tìm hiểu về các tính chất của điện tử và sự hình thành khái niệm lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng [3]. Ánh sáng Điện tử Hình 1.1: Hiệu ứng quang điện [3] Hiệu ứng quang điện được phân chia thành hai loại chính: - Hiệu ứng quang điện ngoài: các điện tử thoát khỏi bề mặt kim loại dưới tác dụng của ánh sáng với bước sóng thích hợp. Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử. Giới hạn quang điện thường nằm trong vùng tử ngoại (λ < 400 nm).
- Hiệu ứng quang điện trong hay hiệu ứng quang dẫn: khi chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp (λ < 800 nm), các điện tử được kích thích lên vùng dẫn, thoát khỏi liên kết với nguyên tử. Hiệu ứng quang điện trong được dùng trong chế tạo các thiết bị quang điện: cảm biến quang học, diot bán dẫn, transistor quang điện, quang điện trở, v. Đặc biệt, hiệu ứng quang điện được ứng dụng trong pin mặt trời, giúp pin thực hiện quá trình chuyển hóa năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành điện năng, như thể hiện ở hình 1.2: Các tấm pin mặt trời Một trong những yếu tố quan tr trọng để đánh giá pin mặt trời là hiệu u suất su chuyển hóa năng lượng nhận được từ ánh sáng m mặt trời, được gọi là hiệu suất củaa pin. Pin mặt trời đầu tiên được chế tạo bởii Charles Fritts năm 1894 ttừ các tấm selen - vàng với v hiệu suất đạt được là 1%.
Năm 1954, pin silic đ đầu tiên được tạo ra bởii Capin Fuller, Gerald Pereson, và Daryl Chapin, hi hiệu suất pin được tăng lên 6%. Trong các thập th kỷ tiếp theo, bên cạnh bán dẫn n silic truy truyền thống, các loại vật liệu bán dẫn n khác cũng c đã được nghiên cứu u như: cadimi sulphide, gallium asenide, indium phosphide, phosphid và cadimi telluride, v. Nhiều thế hệ pin mặt trời đã được ra đời với hiệu suất ngày càng được đư cải thiện. Công nghệ pin m mặt trời qua nhiều thập kỷ phát triển đã trảii qua bốn thế hệ pin [4].
Pin thế hệ thứ nhấ ất Thế hệ pin thứ nhấtt là các pin dựa d trên vật liệu silic, có hiệu suấtt khoảng kho 15 – 20 %. Silic là nguyên tố dồii dào trên th thế giới sau oxy, chiếm 29,5 % trên vỏ v Trái đất, với năng lượng vùng cấm m (band gap) thấp, khoảng 1,12 eV, là vật liệu u bán dẫn d được sử dụng phổ biến n trong công ngh nghệ điện – điện tử. Pin mặt trời từ vật liệu u bán dẫn d tinh thể silic đã được nghiên cứu từ ừ những năm 1950, hiện nay hiệu suất củaa pin đạt đ đến hơn 20 %. Cấu tạo củaa pin silic gồm g 2 lớp điện cực catot (bán dẫn n p) và anot (bán dẫn d n) được trình bày ở hình 1.
Điện Đi cực catot thường được chế tạo bằng ng cách pha tạp t boron vào silic để tạo o ra các llỗ trống trong cấu trúc, và anot được chế tạo từ silic pha tạp photpho để gia tăng điệện tử trong cấu trúc silic. Khi nhận đượcc năng lượng lư kích thích từ ánh sáng mặt trời, i, bán d dẫn p sẽ tạo ra lỗ trống và bán dẫn n sẽẽ tạo ra điện tử. Điện tử tạo ra được dẫn n ra m mạch ngoài, tạo thành dòng điện. 3 Pin thế hệ thứ nhất gồm hai loại chính là pin mặt trời Si đơn tinh thể (single/mono- crystalline silicon solar cell – s-Si) và pin mặt trời Si đa tinh thể (poly-crystalline silicon solar cell – p-Si).
Pin s-Si được chế tạo từ silic với độ tinh khiết cao và cấu trúc đơn tinh thể nên quá trình chế tạo pin cần nhiều giai đoạn phức tạp để tái cấu trúc tinh thể của silic với nhiệt độ hơn 1000 oC, nên đòi hỏi nhiều chi phí và năng lượng sản xuất pin. Pin p-Si được chế tạo từ silic đa tinh thể, không đòi hỏi độ tinh khiết và cấu trúc tinh thể, nên có chi phí sản xuất thấp hơn, quy trình chế tạo đơn giản hơn, nhưng hiệu suất pin thấp hơn [4]. Pin thế hệ thứ nhất có hiệu suất pin cao nhất trong các thế hệ pin (hơn 20 %), là loại pin có thị phần cao nhất trên thị trường pin mặt trời. Khuyết điểm của pin thế hệ thứ nhất là to, cứng, và tốn nhiều chi phí, năng lượng để sản xuất [4,5].
Do đó, các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển thế hệ pin thứ hai. Ánh sáng Tải ngoài Dòng điện tử Hình 1.3: Cấu tạo pin mặt trời thế hệ thứ nhất [4] 1. Pin thế hệ thứ hai Thế hệ pin thứ hai là những pin màng mỏng, dẻo thay vì khối cứng như thế hệ pin thứ nhất, giúp cho pin có khả năng ứng dụng được tiện lợi hơn. Do đó, thế hệ pin thứ hai còn được gọi là pin màng mỏng (thin-film solar cell), hiện đang chiếm khoảng 20% số lượng pin mặt trời trên thế giới.
Pin thế hệ thứ hai có ưu điểm là bề dày lớp pin mỏng, khoảng 1 – 4 µm, có thể chế tạo với nhiều hình dạng khác nhau, trên nhiều loại chất nền mỏng, dẻo như polymer, giúp giảm giá thành sản xuất, dễ dàng sản xuất với quy mô công nghiệp. So với thế hệ pin thứ nhất phụ thuộc vào silic, pin màng mỏng sử dụng các vật liệu bán dẫn có năng lượng vùng cấm khoảng 1 – 1,5 eV, có khả năng hấp thu các photon trong vùng ánh sáng khả kiến (400 – 800 nm), nâng cao hiệu suất pin [4]. Dựa vào vật liệu hấp thu ánh sáng, pin màng mỏng được chia thành ba loại: 4 Pin silic vô định hình (a-S): được chế tạo từ vật liệu silic vô định hình nên quá trình chế tạo pin có chi phí và năng lượng thấp, do không đòi hỏi về độ tinh khiết và cấu trúc tinh thể của vật liệu silic. Pin được chế tạo bằng cách trộn silic với chất nền thủy tinh hoặc polymer.
Tuy nhiên, pin có hiệu suất thấp và không ổn định. Hiện tại, pin a-Si ở dạng mô-đun thương mại có hiệu suất khoảng 4 – 8 % [5]. Cấu tạo của pin CdTe được thể hiện ở hình 1. Pin cadimi telluride (CdTe): CdTe có năng lượng vùng cấm khoảng 1,5 eV, khả năng hấp thu ánh sáng cao, và bền hóa học.
Pin CdTe có hiệu suất khoảng 9 – 11%. Pin CdTe có thể được chế tạo trên nền polymer và có tính dẻo [5]. Pin đồng-indium-selen (copper-indium-diselenide – CIS) và đồng-indium- gallium-diselenide (copper-indium-gallium-diselenide – CIGS): pin CIGS có hiệu suất khoảng 10 – 12 %. Pin CIGS bền, có thể hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cao và trong thời gian dài mà không bị giảm hiệu suất [5].
Anot Mặt sau Catot Lớp thủy tinh dẫn Đế thủy tinh Hình 1.4: Cấu tạo pin CdTe [6] Ưu điểm của pin thế hệ thứ hai là giá thành thấp hơn do quá trình sản xuất đơn giản, ít tốn chi phí và năng lượng hơn, hiệu suất cao, và có khả năng hấp thu ánh sáng trong khoảng bước sóng rộng. Tuy nhiên, pin thế hệ thứ hai có nhược điểm là các vật liệu chế tạo pin là loại vật liệu hiếm, chi phí cao (indium), hoặc mang độc tính cao (cadimi, selen), và kém bền, nên khó khăn trong quá trình chế tạo [4,5]. Nhiều nghiên cứu gần đây hướng đến thế hệ pin mặt trời thứ ba, sử dụng các loại vật liệu thân thiện với môi trường hơn so với pin thế hệ thứ hai. Pin thế hệ thứ ba Pin thế hệ thứ ba có ưu điểm hiệu suất cao, vùng quang phổ hấp thu rộng, chi phí chế tạo ít tốn kém, không độc hại đối với con người, và có thể chế tạo với quy mô lớn.