Skip to content
Tấm năng lượng Mặt Trời, được gọi thêm là tấm quang điện hay tấm năng lượng quang, tạo thành từ nhiều tế bào quang điện, các viên đá quý bán dẫn, phủ trải trên bề mặt như những ngòi cảm biến ánh sáng. Những cảm biến này, được gọi là điốt quang, thực hiện một phép biến hóa kỳ diệu, chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện. Đặc trưng của pin Mặt Trời là cường độ dòng điện, hiệu điện thế và điện trở, tất cả đều phụ thuộc vào lượng ánh sáng chiếu sáng lên chúng.
Những tế bào quang điện này không chỉ đơn thuần hoạt động dưới ánh sáng Mặt Trời mà còn phản ứng với ánh sáng nhân tạo. Chúng vừa có khả năng làm cảm biến ánh sáng, ví dụ như cảm biến hồng ngoại, vừa có khả năng phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng có thể thấy hoặc đo cường độ ánh sáng.
Nhìn vào cấu trúc, một tế bào quang điện thông thường được chế tạo từ tinh thể silicong. Trên bề mặt tấm năng lượng, chúng có các dòng dẫn bằng kim loại, mạch mỏng nhánh tạo ra trên bề mặt để thu thập electron sinh ra từ hiệu ứng quang điện. Toàn bộ quá trình này phụ thuộc vào hiệu ứng quang điện.
Hoạt động của một tấm năng lượng Mặt Trời có thể được chia thành ba giai đoạn:
Ứng dụng của pin năng lượng Mặt Trời vô cùng đa dạng. Dù giá thành vẫn còn cao, chúng đặc biệt hữu ích ở những vùng cơ sở hạ tầng điện khó tiếp cận như vùng núi cao, các hòn đảo xa xôi, và thậm chí cả trong không gian, như việc cung cấp năng lượng cho các vệ tinh quay xung quanh Trái Đất. Chúng cũng được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày, từ máy tính cầm tay cho đến điện thoại di động từ xa, cũng như trong các thiết bị bơm nước.
Các tấm pin năng lượng Mặt Trời thường được kết hợp thành các mô-đun, tạo thành các tấm năng lượng Mặt Trời có diện tích lớn, thường được lắp đặt trên mái nhà để tận dụng tối đa ánh sáng. Các tấm lớn ngày nay thậm chí được trang bị hệ thống tự động điều chỉnh để luôn hướng về hướng ánh sáng, tương tự như hoa hướng dương luôn quay về phía Mặt Trời
Hành Trình Khám Phá Hiệu Ứng Quang Điện Và Sự Ra Đời Của Pin Năng Lượng Mặt Trời
Hiệu ứng quang điện đã lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1839 bởi Alexandre Edmond Becquerel, một nhà vật lý người Pháp, khi ông mới 19 tuổi và đang thực hiện thí nghiệm tại phòng nghiên cứu của cha mình. Tuy nhiên, chỉ đến năm 1873, Willoughby Smith đã đề cập đến phát minh này trong một bài báo trên tạp chí Nature. Tới năm 1883, Charles Fritts đã tạo ra pin năng lượng mới bằng cách phủ một lớp mỏng vàng lên mạch bán dẫn selen để tạo thành mạch nối. Tuy năng suất của thiết bị này chỉ đạt 1%.
Năm 1888, Aleksandr Stoletov, một nhà vật lý người Nga, đã thành công trong việc tạo ra tấm pin đầu tiên dựa trên hiệu ứng quang điện mà Heinrich Hertz đã phát hiện vào năm 1887.
Đến năm 1905, Albert Einstein đã giải thích hiệu ứng quang điện trong công trình mang tính bước ngoặt. Điều này cũng đã giúp ông giành giải Nobel vật lý vào năm 1921.
Năm 1941, Vadim Lashkaryov phát hiện phân lớp p-n trong CuO và bạc sul-phát, mở ra cánh cửa cho các phát triển trong lĩnh vực pin năng lượng.
Russell Ohl, vào năm 1946, được coi là người tạo ra chiếc pin năng lượng Mặt Trời đầu tiên. Sven Ason Berglund cũng đã đóng góp với phương pháp tăng cường khả năng cảm nhận ánh sáng của các tấm pin.
Sự sáng tạo tiếp tục, và vào ngày 25/4/1954 tại Bell Laboratories, Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller và Gerald Pearson đã ra mắt chiếc pin Mặt Trời đầu tiên có khả năng ứng dụng thực tế. Sự kết hợp giữa pin năng lượng Mặt Trời và vệ tinh Vanguard I vào năm 1958 đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong việc tạo ra năng lượng xanh và ứng dụng nó trong không gian.
Hành trình từ khám phá hiệu ứng quang điện đến sự ra đời của pin năng lượng Mặt Trời đã là một cuộc hành trình đầy những đóng góp kiến thức và sáng tạo của các nhà khoa học hàng đầu trên thế giới.
Vật Lý Cơ Bản Của Pin Năng Lượng Mặt Trời: Chất Bán Dẫn và Nguyên Tắc Hoạt Động
Để hiểu hoạt động của pin năng lượng Mặt Trời, ta cần tìm hiểu về vật lý cơ bản của chất bán dẫn và cách các tương tác trong mạng tinh thể tạo ra hiệu ứng quang điện.
Vật liệu chính được sử dụng trong pin năng lượng Mặt Trời là silic – một chất bán dẫn. Silic thuộc nhóm IVA trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, có cấu trúc tinh thể có thể tồn tại ở hai dạng chính: vô định hình và tinh thể. Trong tinh thể, các nguyên tử silic sắp xếp theo thứ tự trong không gian ba chiều, tạo nên một cấu trúc liên kết đặc biệt.
Silic là vật liệu bán dẫn, có nghĩa là năng lượng của electron trong chất rắn silic có thể nằm ở một số tầng năng lượng cụ thể, trong khi các tầng năng lượng khác không thể. Điều này có nghĩa là silic có thể dẫn điện ở một số điều kiện và không dẫn điện ở điều kiện khác. Hiểu đơn giản, có thời điểm electron có thể di chuyển (dẫn điện) và có thời điểm không thể (không dẫn điện).
Ở nhiệt độ phòng, silic nguyên chất có khả năng dẫn điện kém. Để tạo ra các vùng dẫn điện tốt hơn, người ta thêm các nguyên tử từ nhóm III và nhóm V trong bảng tuần hoàn hóa học vào mạng tinh thể của silic. Các nguyên tử này thay thế một số nguyên tử silic trong mạng tinh thể và tạo ra các vùng dẫn điện (được gọi là bán dẫn nếu từ nhóm V và bán dẫn p nếu từ nhóm III). Tuy nhiên, các electron thừa hay lỗ trống không tham gia vào liên kết mạng tinh thể, mà chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể.
Với bản chất này, khi ánh sáng chiếu vào tấm năng lượng Mặt Trời (được tạo từ tinh thể silic), năng lượng của photon có thể kích thích electron ở vùng năng lượng valence (vùng electron ở trạng thái thấp hơn) và đẩy chúng lên vùng dẫn (vùng năng lượng cao hơn). Sự chuyển này tạo ra lỗ trống trong vùng valence và electron tự do trong vùng dẫn. Hiệu ứng này chính là hiệu ứng quang điện, nơi năng lượng ánh sáng biến thành năng lượng di chuyển của electron và lỗ trống. Pin năng lượng mặt trời
Những electron và lỗ trống này có thể tạo nên dòng điện nếu chúng được kết nối qua mạch ngoại vi. Điều này tạo ra năng lượng điện, chính là điện năng được tạo ra bởi tấm năng lượng Mặt Trời. Pin năng lượng mặt trời
Như vậy, kiến thức về vật lý chất bán dẫn và nguyên tắc hoạt động này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của pin năng lượng Mặt Trời và cách năng lượng ánh sáng được biến đổi thành năng lượng điện.
Đánh Giá Hiệu Suất và Giá Cả Của Pin Năng Lượng Mặt Trời
Hiệu suất và giá cả là hai yếu tố quan trọng trong đánh giá và phát triển pin năng lượng Mặt Trời. Hiệu suất đo lường tỷ lệ giữa năng lượng điện tạo ra và năng lượng ánh sáng Mặt Trời. Vào thời điểm ánh sáng Mặt Trời đỉnh trưa, có khoảng 1000 W/m². Với hiệu suất 10%, một module pin Mặt Trời có diện tích 1 m² có thể tạo ra khoảng 100 W điện. Hiệu suất của các tấm pin Mặt Trời thay đổi từ khoảng 6% cho pin từ silic vô định hình đến có thể lên đến 30% hoặc hơn.
Giá cả của hệ thống pin năng lượng được đánh giá thông qua tính toán giá thành sản xuất trên mỗi kilowatt giờ điện (kWh). Hiệu suất của tấm pin năng lượng Mặt Trời, kết hợp với khả năng chuyển đổi bức xạ Mặt Trời thành điện, đóng vai trò quan trọng trong xác định giá thành. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các hệ thống pin năng lượng Mặt Trời kết hợp với mạng điện hoặc sử dụng hệ thống lưu trữ năng lượng như ắc quy. Các pin thương mại và công nghệ hiện nay thường có hiệu suất từ 5% đến 15%. Giá điện thường dao động từ 50 Eurocent/kWh (ở khu vực Trung Âu) xuống còn 25 Eurocent/kWh ở các vùng có ánh sáng Mặt Trời đa dạng.
Ngày nay, silic tinh thể vẫn là vật liệu chính để chế tạo pin năng lượng Mặt Trời. Có ba dạng chính của pin năng lượng Mặt Trời từ silic tinh thể:
Việc phát triển các phương pháp sản xuất pin năng lượng Mặt Trời mỏng cũng đang được tiến hành, với việc tạo ra các tấm mỏng chỉ dày 300 μm, tạo nên sự linh hoạt và tiết kiệm nguyên liệu hơn.
Quá trình tương tác giữa photon và silic trong pin năng lượng Mặt Trời là chính xác. Khi photon tương tác với một mảnh silic, có hai kịch bản khả thi:
Quá trình này tạo điều kiện cho các electron của các nguyên tử lân cận di chuyển đến và điền vào lỗ hứng, tạo ra lỗ hứng mới cho các electron của nguyên tử lân cận tiếp theo. Quá trình này kéo dài xuyên suốt mạch bán dẫn, tạo ra dòng điện chính là năng lượng điện mà pin năng lượng Mặt Trời tạo ra.
Mặc dù năng lượng của Mặt Trời chủ yếu tác động lên mảnh silic, nhưng đúng như bạn nói, phần lớn năng lượng này được hấp thụ bởi silic và chuyển thành nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện. Điều này có thể giải thích tại sao hiệu suất của các tấm pin năng lượng Mặt Trời thường không thể đạt đến 100% dù năng lượng ánh sáng Mặt Trời rất lớn.
Xem thêm: biến tần hybrid 10kw, 8kw, 5kw, 6kw, 3kw, 6kw, 5kw-sg05, 6kw-sg05, 7.6kw-sg05
Thao dõi bài viết hàng ngày của chúng tôi tại đây
Nhắn tin web tại đây
Xem bài viết mới nhất tại Solar hôm nay
Xem thêm Tinh thể đơn (monocrystalline)
Xem thêm Đa tinh thể (polycrystalline)
Xem thêm Dải silic (thin-film)
