Môn học linh kiện bán dẫn đề tài solar cel

PHẦN 1: MỞ ĐẦUPin Mặt trời, tấm năng lượng mặt trời hay tấm quang điện Solarcell bao gồm nhiều tế bào quang điện solar cells - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINHKHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

MÔN HỌC: LINH KIỆN BÁN DẪNĐỀ TÀI: SOLAR CELL

GVHD: TS Đỗ Huy Bình

Nhóm 6: Sinh viên thực hiện: MSSV: 1 Huỳnh Đức Quang Linh 191300

MỤC LỤC

PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1

PHẦN 2: KHÁI QUÁT VỀ SOLAR CELL 2

2.1 Cấu tạo của Solar Cell 2

2.2 Cấu trúc bán dẫn và nguyên lý hoạt động của lớp tế bào quang điện .42.3 Hiệu năng của Pin năng lượng mặt trời 6

2.4 Phân loại và ứng dụng của Solar CELL 8

PHẦN 3: CHẾ TẠO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SOLAR CELL 12

PHẦN 4: NHỮNG HẠN CHẾ CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀXU HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI 18

4.1 Những hạn chế của hệ thống pin năng lượng mặt trời 18

4.2 Xu hướng phát triển trong tương lai 20

Tài liệu tham khảo 22

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay 2

Hình 2: Lớp chuyển tiếp p-n 4

Hình 3: Sơ đồ mô tả hoạt động của pin năng lượng mặt trời 5

Hình 4 : Đồ thị hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời tối đa 6

Hình 5: Sơ đồ các công đoạn chế tạo pin năng lượng mặt trời 12

Hình 6: Quy trình chuẩn bị nguyên liệu để nấu chảy trong lò 13

Hình 7 : Quy trình Czochralski 14

Hình 8: Hệ thống máy cắt tấm wafer silicon 14

Hình 9: Dây chuyền xử lý bề mặt Solac Cell 15

Hình 10: Băng truyền phủ điện cực tiếp điểm cho Solar Cell 16

Hình 11: Hệ thống tay robot lắp ráp pin năng lượng mặt trời 17

Hình 12: Lắp Solar Cell trên cánh đồng pin năng lượng mặt trời 18

Hình 13: Cánh đồng pin năng lượng mặt trời lớn 19

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

Pin Mặt trời, tấm năng lượng mặt trời hay tấm quang điện (Solarcell) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - 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.

Tấm pin năng lượng mặt trời được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1883 bởi Charle Fritts với hiệu suất ban đầu chỉ đạt được 1% Nhưng trước đó người khám phá ra hiệu ứng quang điện là nhà vật lý người pháp Alexandre Edmond Becquerel vào năm 1839 Công nghệ năng lượng mặt trời tiến tới với thiết kế hiện tại của nó vào năm 1908 khi William J Bailey của Công ty thép Carnegie phát minh ra với một hộp cách nhiệt và thanh selen Vào giữa những năm 1950 pin quang năng đã đạt được hiệu suất 4%, và hiệu suất sau đó nâng lên 11%, với các tế bào silicon (Nguyên liệu phổ biến thứ hai trên trái đất)

-Năm 1982 Nhà máy điện mặt trời đầu tiên có công suất 1MW được hoàn thành ở Mỹ.

-Năm 1983: sản xuất pin mặt trời trên toàn thế giới vượt mức 20 MW, và doanh số bán vượt mức 250 trieu USD.

-Đến năm 1999 tổng công suất lắp đặt pin mặt trời trên thế giới đạt 1GW -Năm 2010, tổng công suất pin mặt trời trên thế giới ước tính đạt 37,4GW (trong đó Đức có công suất lớn nhất với 7,6GW.)

Chỉ trong vài thập kỷ gần đây khi nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, các vấn đề môi trường ngày càng tăng và tài nguyên nhiên liệu hóa thạch giảm khiến chúng ta phải tìm kiếm các giải pháp năng lượng thay thế Vì vậy nên solar cell được xem là một nguồn năng lượng thay thể hiệu quả các nguồn cung năng lượng đang cạn kiệt trong tự nhiên.

1

PHẦN 2: KHÁI QUÁT VỀ SOLAR CELL2.1 Cấu tạo của Solar Cell

Hình 1: Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay

( https://nangluongtoancau.com/tim-hieu-cau-tao-cua-tam-pin-nang-luong-mat-troi.html)

Về cơ bản thì cấu tạo của Solar Cell bao gồm có 6 thành phần cơ bản sau: 1 Lớp tế bào quang điện Solar Cell

2 Lớp EVA trước sau tế bào quang điện 3 Lớp kính trước

4 Khung pin 5 Tấm nền PIN 6 Mạch điện tích hợp

Lớp kính trước của tấm pin mặt trời

Đây là phần nặng nhất có chức năng bảo vệ và chịu lực của của tấm pin năng lượng mặt trời, duy trì độ trong suất , Với độ dày từ trung bình là 3,3mm

tùy thuộc vào những hãng pin mặt trời khác nhau mà dao động từ 2-4mm, Để lựa chọn tấm pin mặt trời chất lượng cần phải chú ý đến những yếu tố như là độ cứng, độ truyền quang phổ và truyền ánh sáng, Pin năng lượng tốt thì lớp kính này càng phải trong để hấp thụ ánh sáng hiệu quả, giảm tỷ lệ phản xạ ánh sáng.

Khung tấm pin năng lượng mặt trời.

Để cấu tạo nên tấm pin năng lượng mặt trời thì không thể thiếu đó là khung Vật liệu cấu tạo nên khung chủ yếu làm bằng nhôm có độ bền cao cũng có một số ngoại lệ những tấm pin mặt trời không sử dụng khung nhôm mà thay thế bằng các sản phẩm đặc biệt bằng nhựa để tiếp kiệm chi phí.

Tấm nền của pin lượng mặt trời.

Có cấu tạo từ các vật liệu nhựa có chức năng cách điện, bảo vệ che chắn những tế bào quang điện khỏi thời tiết và độ ẩm, Với đặc điểm nhận dạng là màu trắng, và được bán lẻ trên thị trường ở những dạng như cuộn hoặc tấm Tùy vào từng hãng sản xuất mà độ dày màu sắc có thể khác nhau.

Lớp tế bào quang điện.

Có thể nói đây chính là thành phần chính của tấm pin năng lương mặt trời có chức năng hấp thụ ánh sáng tại đây những lớp tế bào sẽ biến quang năng thành điện năng cho tấm pin mặt trời.

Các tế bào quang điện của tấm pin mặt trời thường ở hai dạng đó là Đơn tinh thể hoặc đa tinh thể, các lớp tế bào này được liên kết với nhau bỏi một dây đồng nhỏ được phủ bằng một lớp hợp kim hoặc thiếc.

Hộp đựng những mối nối mạch điện.

Có chức năng đưa các mối nối điện của modum mặt trời ra bên ngoài, nơi đây có chứa các dây cáp để kết nối được những lớp tế bào quang điện với nhau, để có thể mua được những hộp điện tốt thì chú ý đến vật liệu chể tạo và khớp nối của hộp điện.

3

Lớp EVA

Chất liệu này quan trọng chỉ sau lớp tế bào, có chức năng kết dính những lớp khác nhau của tấm pin mặt trời, với vật liệu chủ yếu từ EVA_Ethylene vinyl acetate Với mục đích đảm bảm tuổi thọ của tấm pin mặt trời và có ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền ánh sáng và tốc độ sử lý ánh sáng vàng và tia UV

2.2 Cấu trúc bán dẫn và nguyên lý hoạt động của lớp tế bào quang điện

Cấu trúc đơn giản của một tế bào quang điện trong Solar cell bao gồm hai bán dẫn loại p và n tiếp xúc với nhau tạo thành lớp tiếp xúc p-n tương tự như diode quang Hai đầu cực của lớp tế bào quang điện được nối với một đường dây dẫn để dòng điện sinh ra tích hợp vào pin hoặc acquy

Tiếp xúc p-n junction được hình thành khi cho hai loại bán dẫn loại p và n tiếp xúc với nhau, do trong bán dẫn loại p, những lỗ trống dẫn điện mang điện tích dương (+) sẽ bị thu hút bởi những electron dẫn điện mang điện tích âm (-) ở bán dẫn loại n Ngược lại thì những e dẫn điện bên bán dẫn loại n cũng sẽ bị thu hút bởi điện dương bên loại p Cả 2 quá trình này sẽ tạo ra một vùng chuyển tiếp trong tiếp xúc p-n (còn gọi là vùng nghèo) Khu vực này trung hòa về điện và mang một rào thế cản trở dòng điện khi hệ đạt cân bằng [1]

Hình 2: Lớp chuyển tiếp p-n

(nguồn: https://byjus.com/physics/p-n-junction/ )

Với một solar cell, cấu trúc p-n junction khi ở trạng thái cân bằng cũng tồn tại một rào thế cơ bản như của diode quang Tuy nhiên Solar cell khác so với thiết kế của diode quang ở chỗ là solar cell được thiết kế lớn hơn để có thể hấp thu tối đa ánh sáng và cũng như có thể nhận được ánh sáng với nhiều bước sóng ở các dải tầng khác nhau để từ đó chuyển đổi năng lượng thành dòng điện Khi có ánh sáng chiếu vào, năng lượng photon của ánh sáng sẽ được hấp thu vào vùng nghèo của lớp tế bào quang điện Năng lượng photon này sẽ cung cấp cho các điện tử trong vùng nghèo một động năng, làm cho chúng có xu hướng bức ra khỏi trạng thái cân bằng đang tồn tại ở vùng nghèo và quay trở về tái tổ hợp lại như cấu trúc điện tử ban đầu khi chưa hình thành tiếp xúc p-n Sự dịch chuyển điện tử này diễn ra nhanh và sẽ sinh ra một điện trường nhỏ để từ đó tạo thành dòng điện dẫn vào tích hợp lên acquy Nếu như mạch điện tích hợp hở thì dòng điện tạo ra không được tích hợp vào pin, lúc này động năng của các hạt điện tử tăng lên sẽ chuyển thành nhiệt và làm cho tấm pin năng lượng mặt trời nóng lên.

Hình 3: Sơ đồ mô tả hoạt động của pin năng lượng mặt trời (nguồn: https://www.solarsquare.in/blog/solar-cell-construction/)

5

2.3 Hiệu năng của Pin năng lượng mặt trời

Trên thực tế thì để bức được một điện tử khỏi trạng thái cân bằng của vùng nghèo thì cần phải cung cấp rất nhiều năng lượng photon ánh sáng Các photon có mức năng lượng nhỏ sẽ không thể tạo ra dòng điện, mà vì vậy năng lượng của nó sẽ chỉ có tác dụng làm gia tăng nội năng làm cho tấm pin nóng lên Đây cũng chính là nguyên nhân dẫn đến hiệu suất của pin solar cell là tương đối nhỏ Công thức tính năng lượng photon.

Ep = /λhc

Hiệu suất tối đa của pin có thể tạo được ở mỗi bước sóng ánh sáng được tính theo công thức sau:

Ngoài ra các yếu tố khác như xác suất tái tổ hợp lỗ điện tử làm giảm hiệu suất tối đa có thể đạt được trên lý thuyết của pin mặt trời

Hình 4: Đồ thị hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời tối đa là một hàm của khoảng cách năng lượng của chất bán dẫn được tính theo giới hạn hiệu suất SQ cho phổ mặt trời 1,5 AM (1000 W \/ m2) ở 25 ° C [1]

Bảng 1: Hiệu suất tối đa có thể tạo được của vật liệu làm tế bào quang điện theo tổng hợp phổ Global AM1.5 Spectrum (1000 W/m2) at 25°C

(Source: Adapted from Green, M.A et al., Prog Photovolt: Res Appl., 21, 1– 11, 2013.a ap, aperture area; t, total area; da, designated illumination area b nc-Si, nano-crystalline or microcrystalline silicon.)

7

Tuy nhiên đây thực tế chỉ là lý thuyết, thực tế thì pin năng lượng mặt trời có hiệu suất thấp hơn nhiều so với tính toán, bởi hiệu suất bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các yếu tố bên ngoài khác Một số lý do cho hiệu quả thực tế thấp hơn giới hạn lý thuyết như sau:

1 Sự phản xạ của ánh sáng từ bề mặt của tế bào quang điện Điều này có thể được giảm thiểu bằng lớp phủ Antireflection (AR) Ví dụ, lớp phủ AR có thể Giảm sự phản xạ từ cell Si xuống 3% từ hơn 30% nếu không được phủ.

2 Thiết kế tiếp điểm dạng đường kẻ dài làm giảm điện trở nhưng qua đó cũng hạn chế lượng ánh sáng nhận được của tế bào quang điện.

3 Do điện trở bên trong của tế bào quang điện

4 Sự tái tổ hợp các electron và lỗ hổng trước khi chúng có thể tạo ra dòng điện [2]

Nói chúng ta có nhiều giải pháp về thiết kế để gia tăng hiệu suất của các tấm pin mặt trời nhưng kéo theo đó là giá thành cũng tăng theo

2.4 Phân loại và ứng dụng của Solar CELLPhân loại

Trên thị trường hiện nay, tấm pin năng lượng gồm 2 loại phổ biến, sử dụng 2 loại tế bào quang điện Mono và Poly

Loại Mono:

Các tế bào quang điện của tấm pin Mono được làm bằng silicon đơn tinh thể, có độ tinh khiết cao, thường có giá trị đắt hơn so với các tế bào khác Các góc của các tế bào nhìn giống như bị cắt bớt, tạo thành hình bát giác Ưu điểm của loại tế bào quang điện này khi tạo thành tấm pin là có hiệu suất sử dụng cao, thời gian sử dụng dài Đặc biệt hoạt động tốt ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu.

Loại Poly:

Tế bào quang điện của tấm pin Poly được làm bằng các tế bào silicon đa tinh thể, được chế tạo từ khối silicon vuông đúc nóng chảy, được làm mát và làm cứng lại một cách cẩn thận Đây là loại tế bào được sử dụng phổ biến, nó có

mức độ giãn nở và chịu được nhiệt độ cao cùng quá trình sản xuất đơn giản, ít tốn kém, vì thế nên giá thành cũng thấp hơn so với dòng pin Mono.

Một số ứng dụng pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mă Št trời mang đến nguồn năng lượng sạch, góp phần bảo vê Š môi trường và tài nguyên thiên nhiên Hiê Šn nay, ứng dụng của pin mă Št trời trong đời sống rất đa dạng, được con người khai thác ngày càng có hiê Šu quả – ng d ng c a pin măt tr i v o c c thi t b gi m s t an ninh

Pin mă Št trời được ứng dụng để sản xuất camera giám sát có sử dụng mạng dữ liê Šu di đô Šng hoă Šc wifi Thiết bị được sử dụng ở các nông trại, sân vườn, các công trình xây dựng…bất cứ nơi đâu có nhu cầu Ưu điểm của thiết bị giám sát an ninh từ pin mă Št trời là có tính tiê Šn lợi, lắp đă Št dễ dàng ở những vị trí khó lắp đă Št hê Š thống đường dây truyền tải điê Šn.

Hê Š thống giám sát an ninh điê Šn mă Št trời tương tự như hê Š thống an ninh sử dụng điê Šn lưới, điểm khác là hê Š thống này có thêm hê Š thống cung cấp dữ liê Šu cung cấp cho tải ưu tiên khi mất điê Šn Do đó, thiết bị an ninh có thể hoạt đô Šng bình thường mà không bị gián đoạn.

– ng d ng c a pin măt tr i v o hê th ng chi u s ng công công

Đó là các loại đèn năng lượng mă Št trời chiếu sáng công cô Šng, đèn giao thông…thường được sử dụng cho lối đi ngoài vườn, lối đi công viên…Đèn chiếu sáng từ pin mă Št trời giúp tiết kiê Šm tiền điê Šn và góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Hê Š thống đèn năng lượng mă |t trời hoạt đô Šng mô Št cách thông minh, có thể tự đô Šng bâ Št/tắt, sạc điê Šn hoă Šc ngắt sạc, không cần sử dụng dây dẫn, có đô Š bền cao, vâ Šn hành ổn định Đèn năng lượng mă Št trời hiê Šn nay được ứng dụng rô Šng rãi và phổ biến ở nhiều nơi tại Viê Št Nam và trên thế giới.

– ng d ng pin măt tr i v o s n xu"t điên mă t tr i

Hê Š thống pin mă Št trời có thể được lắp trên mái nhà hoă Šc tại các khung giàn, giá đŒ ở các khu đất trống để hấp thụ ánh sáng mă Št trời và chuyển đổi thành điê Šn năng Tùy theo nhu cầu mà bạn có thể lựa chọn hê Š thống điê Šn mă Št trời hòa lưới, hê Š thống điê Šn mă Št trời đô Šc lâ Šp hay hê Š thống hỗn hợp.

Nguồn điê Šn năng tạo ra từ pin mă Št trời mang lại nhiều lợi ích, giúp khách hàng giảm được hóa đơn tiền điê Šn hàng tháng, sử dụng nguồn năng lượng xanh và sạch, góp phần bảo vê Š tài nguyên thiên nhiên và bảo vê Š môi trường Trong 9

tương lau không xa, chắc chắn mô hình điê Šn mă Št trời sẽ ngày càng phổ biến và phát triển rô Šng rãi hơn trên cả nước.

– ng d ng c a pin măt tr i trong s n xu"t

Pin mă Št trời được sử dụng nhằm tạo ra điê Šn năng lượng mă Št trời phục vụ cho mục đích tưới tiêu, chiếu sáng, hê Š thống bơm nước tưới tiêu cho cây trồng, chăn nuôi…Hê Š thống điê Šn mă Št trời giúp tiết kiê Šm tiền điê Šn, giảm gánh nă Šng chi phí đầu tư sản xuất.

Tại các khu vực sản xuất ở vùng sâu vùng xa, hải đảo…hê Š thống điê Šn sử dụng pin mă Št trời phát huy ưu thế bởi sự tiê Šn lợi khi lắp đă Št, không cần đầu tư nhiều cho hê Š thống dây dẫn, đảm bảo viê Šc sản xuất của người dân được diễn ra bình thường.

– ng d ng pin măt tr i v$i ngu%n điên d nh cho c c thi t b di đông + Pin mă Št trời được sử dụng để cung cấp năng lượng để sạc các thiết bị di đô Šng như máy tỉnh xách tay, máy tính bảng, điê Šn thoại di đô Šng nhờ ứng dụng tuyê Št vời này mà bạn không cần lo lắng những thiết bị của mình không thể hoạt đô Šng được do hết pin.

+ Trạm sạc năng lượng mă Št trời: Các trạm sạc được thiết kế ngay tại các nơi công cô Šng, có s•n dây nối để phục vụ viê Šc sạc điê Šn thoại di đô Šng cho người dân Tốc đô Š sạc của các trạm sạc mă Št trời được đánh giá là tương đương khi sạc với hê Š thống điê Šn lưới.

+ Ba lô năng lượng mă Št trời: Pin mă Št trời được tích hợp trong balo có nhiê Šm vụ chuyển đổi năng lượng ánh sáng mă Št trời thành điê Šn năng, dòng điê Šn này phục vụ cho viê Šc sạc các thiết bị di đô Šng như điê Šn thoại, máy tính, sạc dự phòng…với những người thường xuyên đi công tác, di chuyển nhiều nơi, đi du lịch thì đây là ứng dụng rất hữu ích.

+ Thùng rác năng lượng mă Št trời: Thùng rác này sử dụng pin mă Št trời nên có thể phục vụ viê Šc sạc pin cho điê Šn thoại di đô Šng Bên cạnh đó, thùng rác còn có khả năng lọc nước thải để tưới cho cây xanh.

+ Ô năng lượng mă Št trời: Những chiếc ô được tích hợp pin mă Št trời để tạo ra dòng điê Šn Dòng điê Šn này được chuyển đến hê Š thống tay cầm của ô với chức năng sạc điê Šn cho các thiết bị di đô Šng.

– ng d ng pin măt tr i cho phương tiên giao thông