luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời

Hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời phụ thuộc nhiều vào yếu tố như: nhiệt độ, bức xạ mặt trời… Làm thế nào để giảm thiểu các tác động tiêu cực để qua đó tăng cao hiệu suất của pin

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

QUẢNG NINH – NĂM 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

TRẦN NGÂN HÀ

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS NGUYỄN THẾ VĨNH

QUẢNG NINH – NĂM 2019

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: ……… Mã học viên:………

Ngày, tháng, năm sinh: ……… Nơi sinh: ………

Chuyên ngành: ……… Mã số: ………

1 Tên đề tài:………

2 Nội dung: (Ghi theo đề cương đã được HĐ xét duyệt) ………

3 Ngày giao nhiệm vụ: (Ghi theo Quyết định giao đề tài) ………

4 Ngày hoàn thiện nhiệm vụ: (Ghi theo Quyết định giao đề tài) ………

5 Cán bộ hướng dẫn khoa học: (Ghi rõ học hàm/học vị, họ, tên) ………

(Ký, ghi rõ họ tên và đóng dấu)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn này là các kết quả

thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi cùng với sự hướng dẫn của thầy TS Nguyễn Thế Vĩnh, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu nào của các tác giả khác

Nội dung nghiên cứu có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn tài liệu đã được liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo

Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Quảng Ninh, ngày ….tháng ….năm…

Tác giả luận văn

Trần Ngân Hà

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh, Khoa Điện, các thầy cô và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và đóng góp nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thành bản luận án này Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy hướng dẫn TS Nguyễn Thế Vĩnh đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tôi xin cảm ơn gia đình và người thân đã luôn bên tôi, ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Quảng Ninh, ngày ….tháng ….năm…

Tác giả luận văn

Trần Ngân Hà

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Sản lượng pin mặt trời 1990 – 2000(MWp) 8

Bảng 1 2 Các công nghệ PMT hiệu suất cao 11

Bảng 1 3 Cấu trúc PMT GaAs 15

Bảng 3 1 Các thông số cơ bản pin mặt trời Mono Solarcity 60W 34

Bảng 3 2 Các thông số cơ bản bộ sạc pin mặt trời 36

Bảng 3 3 Các thông số cơ bản ắc quy CS3 GP 1272 F2 37

Bảng 3 4 Các thông số cơ bản bộ kích điện Meind 150W 38

Bảng 3 5 Kết quả đo đạc của hệ thống không áp dụng các giải pháp tăng hiệu suất 40

Bảng 3 6 Kết quả đo đạc của hệ thống sử dụng các giải pháp làm mát pin mặt trời bằng nước 44

Bảng 3 7 Kết quả đo đạc của hệ thống sử dụng các giải pháp quay pin hướng ánh sáng mặt trời 51

Bảng 3 8 Kết quả đo đạc của hệ thống sử dụng các giải pháp tổng hợp 58

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo của pin quang điện 3

Hình 1 2 Nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời 4

Hình 1 3 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2 4

Hình 1 4 Các vùng năng lượng 6

Hình 1 5 Nguyên lý dẫn điện của vật dẫn 6

Hình 1 6 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 7

Hình 1 7 Qui trình chế tạo pin mặt trời từ cát 8

Hình 1 8 Cấu trúc pin mặt trời Silic tinh thể 9

Hình 1 9 Cấu trúc Pin mặt trời Silic vô định hình 10

Hình 1 10 Sơ đồ thiết bị chế tạo pin mặt trời Si vô định hình 10

Hình 1 16 Nấp che lăng tụ giảm độ che của contact 17

Hình 1 17 Trạm Skylab – giàn pin mặt trời 20W phóng lên vũ trụ 1973 18

Hình 1 18 Các tia bức xạ đến bề mặt pin mặt trời 21

Hình 1 19 Quang tử trong ánh sáng mặt trời đánh bật điện tử ra khỏi mạch polymer của poly (3 - hexylthiophene) (P3HT) và được nhận bởi [6,6]-PCBM C60 (một chất dẫn xuất của C60) 23

Hình 1 20a Tiến trình phân ly của cặp lỗ trống - điện tử (h+ và e-) tại mặt chuyển tiếp giữa vật liệu p và n 24

Hình 1 21b Điện tử (e-) đi theo đường vân vật liệu n tiến đến cực dương, và lỗ trống (h+) theo đường vân vật liệu p tiến đến cực âm Dòng điện xuất hiện 24

Hình 2 1 Đặc điểm I-V của môđun quang điện dưới tác động nhiệt, I được trình bảy theo thang đo logarith: a Ở nhiệt độ 50oC, b Ở nhiệt độ 100oC 25

Hình 2 2 Đặc tính I-V của môđun quang điện dưới tác động của nhiệt độ trong 10 phút 26

Hình 2 3 Đặc tính I-V ngược của môđun quang điện dưới tác động của nhiệt độ: 27

Hình 2 4 Đặc tính C-V của môđun quang điện dưới tác động của nhiệt độ: 28

Hình 2 5 Pin Polycrystalline 30

Hình 2 6 Pin Monocrystalline 31

Hình 2 7 Pin màng mỏng hay silic vô định hình 32

Hình 3 1 Hình ảnh pin mặt trời Mono Solarcity 60W 34

Hình 3 2 bộ điều khiển sạc 36

Hình 3 4 Bộ kích điện Meind 150W 38

Hình 3 5 Sơ đồ tổng quan hệ thống sạc pin mặt trời đơn giản 39

Hình 3 6 Đồ thị của pin khi không áp dụng các giải pháp nâng cao hiệu suất 40Hình 3 7 Sơ đồ tổng quan hệ thống sạc pin mặt trời sử dụng giải pháp giảm nhiệt độ bề

mặt pin năng lượng mặt trời 41

Hình 3 8 Lưu đồ thuật toán điều khiển bơm nước làm mát 42Hình 3 9 Đồ thị so sánh giữa pin mặt trời có áp dụng giải pháp nâng cao hiệu suất 44Hình 3 10 Sơ đồ tổng quan hệ thống sạc pin mặt trời sử dụng giải pháp điều khiển góc

quay pin hướng ánh sáng 45

Hình 3 11 Các phương pháp điều khiển hướng ánh sáng pin mặt trời 45Hình 3 12 Lưu đồ thuật toán điều khiển pin chuyển động hướng theo ánh sáng mặt trời.

46

Hình 3 13 Đồ thị so sánh giữa pin mặt trời có áp dụng giải pháp nâng cao hiệu suất với

pin mặt trời không áp dụng giải pháp nâng cao hiệu suất 51

Hình 3 14 Sơ đồ tổng quan hệ thống sạc pin mặt trời sử dụng giải pháp điều khiển góc

quay pin hướng ánh sáng 52

Hình 3 15 Lưu đồ thuật toán điều khiển pin chuyển động hướng theo ánh sáng mặt trời.

53

Hình 3 16 Đồ thị so sánh giữa pin mặt trời có áp dụng giải pháp nâng cao hiệu suất với

pin mặt trời không áp dụng giải pháp nâng cao hiệu suất 58

Hình 3 17 Đồ thị thể hiện đường đặc tính của hệ thống pin mặt trời 59

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ILỜI CẢM ƠN IIDANH MỤC CÁC BẢNG IIIDANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ IV

MỞ ĐẦU 1

1, Tính cấp thiết của đề tài: 1

2, Mục đích, nhiệm vụ của đề tài: 2

3, Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 2

4, Nội dung nghiên cứu: 2

5, Phương pháp nghiên cứu: 2

6, ý nghĩa khoa học và thực tiễn: 2

7, Cấu trúc của luận văn: 2

Chương 1: TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT 3

1.1 Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời 3

1.1.1 Tổng quan về pin mặt trời 3

1.1.2 Nguyên lý hoạt động 4

1.1.3 Các loại pin mặt trời 7

1.2 Các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của tấm pin mặt trời 18

1.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất pin mặt trời 18

1.2.2 Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hiệu suất của pin năng lượng mặt trời 20

1.2.3 Ảnh hưởng của vật liệu đến hiệu suất pin năng lượng mặt trời 22

1.3 Kết luận 24

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HIỆU SUẤT TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 25

2.1 Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời 25

2.2 Phân tích ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời 28

2.3 Phân tích ảnh hưởng của vật liệu đến hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời 29

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT

PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 34

3.1 Các thiết bị cơ bản của hệ thống pin năng lượng mặt trời 34

3.1.1 Pin mặt trời Mono Solarcity 60W 34

3.1.2 Bộ điều khiển sạc 36

3.1.3 Ắc quy CS3 GP 1272 F2 37

3.1.3 Bộ chuyển đổi điện áp từ 12VDC lên 220VAC Meind 150W 38

3.2 Thí nghiệm hệ thống pin mặt trời đặt cố định không sử dụng các giải pháp nâng cao hiệu suất 39

3.2 Thí nghiệm hệ thống pin mặt trời đặt cố định sử dụng giải pháp điều chỉnh nhiệt độ bề mặt tấm Pin mặt trời 41

3.2.1 Sơ đồ mạch điều khiển 41

3.2.2 Lưu đồ thuật toán và chương trình lập trình 42

3.2.3 Kết quả của phương pháp 43

3.3 Thí nghiệm hệ thống pin mặt trời đặt cố định sử dụng giải pháp điều chỉnh tấm pin theo hướng nắng 45

3.3.1 Sơ đồ mạch điều khiển 45

3.3.2 Lưu đồ thuật toán và chương trình lập trình 46

3.3.3 Kết quả của phương pháp 50

3.4 Thí nghiệm hệ thống pin mặt trời sử dụng giải pháp tổng hợp 52

3.4.1 Sơ đồ mạch điều khiển 52

3.4.2.Lưu đồ thuật toán và chương trình lập trình 53

3.4.3 Kết quả của phương pháp 57

3.5 Kết luận và hướng phát triển 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

MỞ ĐẦU

1, Tính cấp thiết của đề tài:

Xã hội loài người ngày nay đang có những phát triển vượt bậc trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật kéo theo hoạt động kinh tế, công nghiệp, giao thông vận tải, đời sống con người ngày càng phát triển Từ đó vấn đề đảm bảo an ninh năng lượng đặt ra cho các nước các thách thức không hề nhỏ Đó không chỉ là trách nhiệm của Nhà nước, Chính phủ mà đó còn là trách nhiệm của toàn dân Năng lượng được sử dụng chủ yếu hiện nay ở nước ta là năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên), tiếp đến là thủy năng và một số ít năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời (NLMT) Quá trình sử dụng các nhiên liệu hóa thạch để lấy năng lượng luôn kèm theo việc phát thải ra các chất độc hại như CO2, NOx…, là những chất gây hiệu ứng nhà kính và làm biến đổi khí hậu toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển cũng như sức khỏe con người Ngoài ra, nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt khiến cho vấn đề đảm bảo an nình năng lượng ngày càng cấp thiết Qua đó việc tìm và khai thác các nguồn năng lượng mới đang trở thành mục tiêu hàng đầu Các nguồn năng lượng tái tạo như: thủy điện, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt…đã mở ra kỷ nguyên mới cho nhân loại

Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m2 Trong khi đó cường độ bức xạ mặt trời lại thấp hơn ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân Ở Việt nam, bức xạ mặt trời trung bình 150 kcal/m2 chiếm khoảng 2.000 – 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE Năng lượng mặt trời ở Việt nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm Năng lượng mặt trời có thể được khai thác cho hai nhu cầu sử dụng: sản xuất điện và cung cấp nhiệt Tuy nhiên, điện mặt trời vẫn chưa dành được sự quan tâm đúng mực của Nhà nước và của nhân dân Nguyên do chủ yếu là do giá thành pin mặt trời vẫn còn cao Một phần do chi phí sản xuất pin mặt trời vẫn cao do sử dụng các nguyên liệu đắt tiền Không những thế, hiệu suất của pin năng lượng vẫn còn thấp, dẫn đến chi phí để sản xuất ra 1kW điện cao hơn nhiều so với việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch Hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời phụ thuộc nhiều vào yếu tố như: nhiệt độ, bức xạ mặt trời… Làm thế nào để giảm thiểu các tác động tiêu cực để qua đó tăng cao hiệu suất của pin mặt trời từ đó giảm giá thành sản xuất điện năng đảm bảo an ninh năng lượng Để giải quyết vấn đề đặt ra ở trên, tác giả chọn đề tài:

”Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời” để nghiên

2, Mục đích, nhiệm vụ của đề tài:

- Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời

- Đánh giá các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời - Nghiên cứu, đề xuất các phương pháp nâng cao hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời

3, Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng: nâng cao hiệu suất tấm pin mặt trời - Phạm vi: nâng cao hiệu suất tấm pin mặt trời

4, Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của pin năng lượng mặt trời - Nghiên cứu các phương pháp nâng cao hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời - Xây dựng mô hình pin năng lượng mặt trời

5, Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết tổng quát về pin năng lượng mặt trời

- Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất pin mặt trời, so sánh các giải pháp để tìm ra giải pháp tối ưu nhất để nâng cao hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời

6, ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Đánh giá các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời, nghiên cứu các phương pháp nâng cao hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời Đề suất các kiến nghị, giải pháp nâng cao hiệu suất cho tấm pin năng lượng mặt trời Do vậy đề tài mang tính khoa học và thực tiễn cao

7, Cấu trúc của luận văn:

- Chương 1 Tấm pin năng lượng mặt trời và các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất - Chương 2 Phân tích các thông số ảnh hưởng tới hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời

- Chương 3 Kết quả thực nghiệm các giải pháp nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo của pin quang điện

Pin có một tấm bán dẫn loại n, bên trên có phủ một lớp mỏng chất bán dẫn loại p (Hình 1.1) Có thể tạo ra lớp này bằng cách cho khuếch tán một tạp chất thích hợp vào lớp bề mặt của lớp bán dẫn loại n Trên cùng là một lớp kim loại rất mỏng Dưới cùng là một đế kim loại Các kim loại này cùng đóng vai trò các điện cực trơ

Electron sẽ khuếch tán từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p, để lại những lỗ trống dương Các êlectron này vẫn có liên kết với các lỗ trống tạo thành một lớp gọi là lớp tiếp xúc p – n Trong lớp tiếp xúc này có điện trường Etx hướng từ dương sang âm, tức là hướng từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p Điện trường Etx ngăn cản sự khuếch tán của êlectron từ n sang p và lỗ trống từ p sang n Vì vậy người ta còn gọi lớp tiếp xúc này là lớp chặn

Khi chiếu ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang dẫn vào lớp kim loại mỏng phía trên cùng thì ánh sáng sẽ đi xuyên qua lớp này vào lớp bán dẫn loại p, gây ra hiện tượng quang điện trong và giải phóng ra các cặp êlectron và lỗ trống Electron khuếch tán dễ dàng từ p sang n qua lớp chặn Còn lỗ trống thì bị chặn lại và ở lại trong lớp p Kết quả là điện cực kim loại mỏng ở trên sẽ nhiễm điện dương và trở thành điện cực dương của pin, còn đế kim loại ở phần dưới sẽ nhiễm điện âm và trở thành điện cực âm của pin

Nếu nối hai điện cực bằng một dây dẫn thông qua một ampe kế thì sẽ có dòng quang điện chạy từ cực dương sang cực âm Suất điện động của pin quang điện nằm trong khoảng từ 0,5V đến 0,8V Vậy nguyên tắc hoạt động của pin quang điện là dựa vào hiện tượng quang điện trong xảy ra bên cạnh một lớp chặn

Pin quang điện đã được dùng làm nguồn điện cho các trạm nghiên cứu và cho sinh hoạt ở những nơi khó khăn cho việc dẫn điện lưới đến như: núi cao, hải đảo, các phương tiện lưu động, vệ tinh nhân tạo, trạm vũ trụ Để tránh gây ô nhiễm môi trường, người ta đã nghiên cứu thay thế các động cơ chạy xăng ở ôtô, máy bay bằng các động cơ chạy bằng pin quang điện

Người ta sử dụng Pin quang điện để biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng (Solar Cell) Nếu dùng pin quang điện bằng chất bán dẫn Silic, hiệu suất của nó có thể đạt đến 14 - 15% Người ta tính được trên diện tích 1m2 của pin quang điện được ánh sáng chiếu tới ta có thể nhận được một công suất điện là 100W và như vậy với diện tích của một mái nhà trung bình ta có đủ điện năng để thỏa mãn mọi tiện nghi cho một gia đình Tuy nhiên, về giá thành của các Pin quang điện hiện nay còn tương đối khá đắt so với các nguồn năng lượng khác

1.1.2 Nguyên lý hoạt động

Hình 1 2 Nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời

Hình 1 3 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2

Phương trình cân bằng năng lượng:

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài, nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng EV Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hv tới hệ thống, bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+) Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia van quá trình dẫn điện

Phương trình hiệu ứng lượng tử:

Hình 1 4 Các vùng năng lượng

Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p - n Khi một photon chạm vào mảnh Silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra: Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn

Hình 1 5 Nguyên lý dẫn điện của vật dẫn

Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống" Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thế

nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhđiều hơn là năng lượng điện sử dụng được

Hình 1 6 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

1.1.3 Các loại pin mặt trời 1.1.3.1 Pin mặt trời tinh thể Silic

Từ vật liệu ban đầu là cát (SiO

2) người ta tinh chế ra Silic rồi sau đó tạo Silic đa tinh thể bằng công nghệ đúc khối hoặc kéo thành đơn tinh thể theo công nghệ Choxranski Khi đã có khối vật liệu tinh thể Silic, người ta cưa, cắt chúng bằng dao kim cương, laser thành các phiến tinh thể Silic dày khoảng 400 μm Qua các công đoạn cưa, cắt, xử lý hóa học, mài, tẩy sạch bề mặt để chuẩn bị và các bước công nghệ tiếp theo vật liệu đã bị tiêu hao khoảng 50%

Sau khi đã có phiến Silic tinh thể tiêu chuẩn, người ta tiến hành bước quan trọng nhất trong công nghệ làm PMT là tạo lớp chuyển tiếp p – n bằng cách pha Brôm (Br), photpho (P) vào phiến pin Silic từ các nguồn Br, P rắn ở nhiệt độ 900 – 1000oC Đây là một chu trình đòi hỏi sự chính xác cao vì nó quyết định hiệu suất của PMT

Hình 1 7 Qui trình chế tạo pin mặt trời từ cát Bảng 1 1 Sản lượng pin mặt trời 1990 – 2000(MWp)

Silic vô định hình

Nhiệt độ khuếch tán phải được khống chế ở độ xác chính cao để có được độ sâu khuếch tán mong muốn Người ta đã áp dụng phương pháp cấy ion để giải quyết độ chính xác và tự động hóa của công đoạn chế tạo này Tiếp theo, các nhà công nghệ phải tạo lớp tiếp xúc (contact) mặt trước và mặt sau để lấy điện ra và phủ lên bề mặt lớp màng chống phản xạ A.R.C – (Anti Reflection Coating)

Hình 1 8 Cấu trúc pin mặt trời Silic tinh thể

Khi có ánh sáng chiếu tới, hai loại hạt tải tự do được tạo ra trong lòng bán dẫn Silic gồm các điện tử tự do mang điện tích âm ở vùng dẫn và các lỗ trống tự do mang điện tích dương ở vùng hóa trị Quá trình chuyển hóa quang năng mặt trời thành điện năng xảy ra khi các hạt tải tự do này được các photon ánh sáng kích hoạt và di chuyển theo hai chđiều ngược nhau dưới tác dụng của nội điện trường ở vùng chuyển tiếp p – n, dòng điện được lấy ra nhờ hai contact ở mặt trước và mặt sau của phiến PMT

Cấu trúc tiêu biểu của một phiến PMT silic tinh thể được mô tả trên hình 8 Trên cùng là lớp contact mặt trước được chế tạo bằng công nghệ in lưới, kế tiếp là màng chống phản xạ nhằm tăng cao hiệu suất chuyển hóa Phần quan trọng nhất của phiến pin là lớp chuyển tiếp p – n tiếp theo là lớp contact mặt sau Từ 2 lớp contact mặt trước và sau người ta hàn các dây Ni-Cr để lấy điện ra Thông thường mỗi phiến PMT cho thế hở mạch khoảng 0,5V còn dòng ngắn mạch tùy thuộc theo dđiện tích của phiến PMT

1.1.3.2 Pin mặt trời Silic vô định hình

Pin mặt trời Silic vô định hình ra đời sau cùng nhất Ra mắt lần đầu tiên vào năm 1974 tại phòng thí nghiệm RCA của Mỹ Tuy nhiên giá thành của nó rẻ hơn các loại khác nhờ quá trình chế tạo có nhiều ưu thế, chu trình khép kín, khả năng làm diện tích rộng Do vậy mà pin mặt trời Silic vô định hình đã nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường màng TiO

Hình 1 9 Cấu trúc Pin mặt trời Silic vô định hình

Người ta tạo ra PMT vô định hình ở pha khí bằng cách phân hủy khí Silan SiH4 và chuyển tiếp P.I.N được tạo ra bởi sự pha tạp của khí B2H6và PH4 Contact mặt trước được dùng là các loại màng oxit trong suốt như TiO, SnO nhưng phổ biến nhất là màng ITO Vì là loại pin vô định hình, nên nó có thể được chế tạo trên bất kỳ loại đế nào như: sắt, thủy tinh, sành sứ với diện tích rộng lớn hơn hẳn lọai pin tinh thể Mỹ và Nhật Bản là hai nước dẫn đầu trong việc chế tạo loại pin này Đặc biệt là Nhật Bản đã có hướng đầu tư táo bạo trong việc nghiên cứu đưa loại pin này thành một loại “vật liệu xây dựng” như ngói mặt trời và kính cửa sổ mặt trời Có thể nói rằng đây là một loại PMT có rất nhđiều hứa hẹn trong thế kỷ tới khi mà kỹ thuật và công nghệ nâng được hiệu suất của nó lên cao hơn và độ lão hóa ổn định hơn Những công bố gần đây của các công ty hàng đầu thế giới cho thấy đã đạt được những bước tiến dài về hiệu suất như SANYO 11,7%; TDK 12%; FUJI 11,5%; ECD 11,3%; SOLAREX 10,9%; GLASS TECH 10,6%; ARCO SOLAR 10,2% Một sơ đồ nguyên lý chế tạo PMT vô định hình được mô tả trên hình 1.10

Hình 1 10 Sơ đồ thiết bị chế tạo pin mặt trời Si vô định hình

1.1.3.3 Pin mặt trời hiệu suất cao a Pin mặt trời Silic đa tinh thể

Để hạ giá thành PMT, các hãng Solarex, Photowatt, Kyocera đã chọn Silic đa tinh thể, là vật liệu rẻ tiền, làm vật liệu chế tạo PMT Vấn đề đặt ra là cần tăng hiệu suất của loại PMT này (năm 1990 mới đạt cỡ 10 – 12%) Rất nhiều phương pháp đã được thử nghiệm Ví dụ trong chương trình châu Âu “Multichess”, các cơ sở như IMFC (Bỉ), CNRS và Photowatt, Eurosolaire và Enea (Ý) đã đạt được PMT diện tích 4cm2, hiệu suất 16,5% vào năm 1993, bằng cách sử dụng các công nghệ chế tạo PMT kỹ thuật cao nêu ở điểm a, b, c, e, f và g trong bảng 1.2

Ngày nay, các PMT của Photowatt sử dụng phương pháp đạt hiệu suất 15% trên diện tích 100cm2 Viện công nghệ Georgran thu được hiệu suất 17,7% trên đế 1cm2 và Kyocera thu được 16,4% trên dđiện tích 225cm2 Như vậy hiệu suất 16% đối với PMT Silic đa tinh thể là đã đạt được, để có thể sản xuất đại trà

Bảng 1 2 Các công nghệ PMT hiệu suất cao

a Thụ động hóa emitter N+ bằng oxide Giảm tái hợp bề mặt trước b Làm mỏng lớp Emitter Thụ động hóa bề mặt trước c Sử dụng trường mặt sau bằng cách pha

b Silic đơn tinh thể

Phương pháp đạt hiệu suất cao:

Các hãng sản xuất PMT lớn nhất thế giới là Siemens Solar và BP Solar ở châu Âu, Solarex (Mỹ), Kyocera (Nhật) vv sử dụng Silic đơn tinh thể chế tạo bằng phương pháp Czochralsky để làm vật liệu đế Có hai điểm bất lợi là phiến Silic rất đắt và có dạng tròn, không tiện lợi khi đóng module Ưu điểm chính là cùng công nghệ chế tạo, hiệu suất biến đổi quang điện cao hơn Silic đa tinh thể từ 1 – 2% Tuy nhiên xét về giá thành trên watt

đỉnh của thành phẩm là như nhau

Bạn có thể thấy thỏi Silicon có hình trụ mà không phải là hình khối là do quá trình xử lí Czochralski, thỏi được tạo bằng cách kéo và quay silicon nóng chảy và hình dạng tự nhiên của tinh thể Silicon trong kết quả của quá trình trên là hình tròn chứ không phải hình vuông

Các tiến bộ đang được thực hiện:

Theo phân tích của Siemens Solar, giá thành cuối cùng phụ thuộc giá nguyên liệu (20 –40USD/kg), chiều dày phiến Silic và hiệu suất biến đổi quang điện Bằng cách giảm độ dầy phiến Silic dưới 200μm, giảm độ che contact mặt trước, có thể đạt giá thành PMT 2USD/Wp

Chương trình nghiên cứu của châu Âu lấy tên “Eurochess” gồm các phòng thí nghiệm ở Madrid (Tây Ban Nha), Freiburg (Đức) và Leren (Bỉ), hãng BP Solar và Siemens Solar có nhiệm vụ chung là đạt tới hiệu suất 18% bằng công nghệ mà giá thành sản xuất chấp nhận được trong công nghiệp BP Solar đã đạt được 16,5% Các cố gắng tập trung vào việc tạo màng contact kim loại rẻ tiền như: in lụa, lắng đọng hóa học Nikel, hoặc tạo bề mặt trước gồ ghề bằng ăn mòn hóa học, xử lý cơ học

Các PMT hiệu suất cao:

Bằng cách sử dụng contact bốc bay, màng chống phản xạ kép, emitter và contact định xứ, Viện năng lượng mặt trời Freiburg (Đức) đã đạt được hiệu suất 20,7% trên diện tích 4cm2 từ vật liệu Silic đơn tinh thể chế tạo từ Pin mặt trời có tiếp xúc phương pháp Czochralsky (Cz) Thay vật liệu này bằng Silic đơn tinh thể chế tạo từ phương pháp nóng chảy vùng thẳng đứng (Si Fz), bằng công nghệ tương tự, Viện Freiburg đạt hiệu suất 22,3% trên dđiện tích 4cm2

Bằng vật liệu Si Fz, với các cấu trúc PMT khác, các kỷ lục về hiệu suất cũng đã đạt được Chúng ta nêu ra hai trường hợp điển hình:

• Các PMT Perc và Perl của đại học Sydney (Úc) đã đạt được hiệu suất 23,5% trên diện tích 4cm2 (6) trong hình 1.11:

- Perc (passivated emitter and real cell): Bề mặt trước được làm gồ ghề theo kiểu “Piramid” bằng phương pháp quang khắc (photolito – graphic), emitter và bề mặt sau được thụ động hóa bằng oxid

- Perl (passivated emitter and real locally diffused cell) : loại PMT này giống như trên cộng thêm lớp p+ định xứ mặt sau

Hình 1 11 PMT “PERC”

PMT với contact cầu nối mặt sau đạt được 22,7% trên dđiện tích 8cm2 từ năm 1988 ở California Ngoài việc giảm thiểu chđiều dày vùng n+ và p+, các vùng này được nối ra mặt sau để giảm sự che của contact kim loại mặt trước Các loại PMT đã được đưa vào sản xuất ở qui mô nhỏ trong nhà máy Sau đây là hai ví dụ: PMT TPER (Textured, passivated, real field and reflection cell) được cơ quan nghiêng cứu vũ trụ Đức chế tạo đạt hiệu suất 18,5% và hiệu suất cực đại đạt 19,4% trên dđiện tích 23cm2 mà không dùng phương pháp quang khắc (hình 1.12) :

Hình 1 12 PMT TPER

PMT với contact cầu nối (hình 1.13) của Sunpower đạt hiệu suất 21,1% và cực đại đạt 22% trên dđiện tích 18cm2 với hai bước quang khắc được bán cho hãng Honda để trang bị cho ô tô Dream phục vụ các cuộc thi ô tô mặt trời

Chúng ta có thể kết luận rằng PMT Silic đơn tinh thể với hiệu suất 20% hoàn toàn có thể đạt được trong một ngày gần đây với giá chấp nhận được PMT có thể đạt được hiệu suất cao hơn với công nghệ rất đắt tiền rất khó chấp nhận cho mục tiêu sử dụng bình thường trên mặt đất Tuy vậy chúng ta có thể dùng công nghệ chế tạo PMT hội tụ cao cho mục tiêu đó

Hình 1 13 PMT contact cầu nối

c Pin mặt trời GaAs

Sau Silic, GaAs là vật liệu bán dẫn được sử dụng nhiều nhất cho vi điện tử Đối với sử dụng mặt trời nó có ưu điểm là đạt thế hở mạch cao (1,0V thay vì 0,7V đối với Si) và hiệu suất biến đổi quang điện cao (kỷ lục là 25% thay vì 23%) mặc dù phổ hồng ngoại gần như bị cắt làm giảm dòng nối tắt xuống còn 28mA/cm2 (thay vì 40mA/cm2) Công nghệ chế tạo phức tạp hơn nhđiều so với PMT Si vốn không thể sử dụng phương pháp thụ động hóa bằng oxid, nhưng có thể thay thế bằng lớp “cửa sổ” Ga-xAlxAs) (x gần bằng 0,9), contact mặt trước thường được chế tạo trên lớp bề mặt pha tạp mạnh định xứ nhờ phương pháp quang khắc Các đơn tinh thể của đế thường chiếm bề mặt nhỏ và rất đắt nhưng người ta có thể thay thế bằng đơn tinh thể Ge PMT GaAs được chế tạo bằng nhiều lớp hợp chất có nồng độ pha tạp khác nhau, một trong những cấu trúc đơn giản nhất được trình bày ở bảng 1.3

Các lớp này được tạo ra trong quá trình tinh thể được lớn lên liên tục Sự lớn lên của tinh thể xảy ra trong pha lỏng, pha hơi hoặc bằng bán phân tử trong thiết bị rất phức tạp và bắt buộc phải sử dụng khí vô cùng độc

Bảng 1 3 Cấu trúc PMT GaAs

Chiều dầy (μm) Câu trúc Hợp kim Pha tạp (cm3) 0,5

0,05 0,5 3 0,75 1,5 300 –500

Contact Cửa sổ Emitter Đế

Trường mặt sau Lớp đệm

Đế

GaAs Gan-1AlnAs GaAs GaAs

Gan-8Aln-2As GaAs

GaAs

P = 1,6.1020P = 1018P = 5.1018N =1,7.1017N = 1018 N = 1019N = 1016

Về vấn đề này, Varian (Mỹ) và Viện kỹ thuật Ioffé (Nga) đạt được những kết quả rất xuất sắc Viện kỹ thuật Ioffé đã thử sản xuất pilot PMT GaAs phục vụ mục tiêu phục vụ trên mặt đất và ngoài vũ trụ và hiện đang tiếp tục được đầu tư bởi kinh phí của Mỹ

Ở Pháp, một phòng thí nghiệm chuyên dụng đã được CNRS thành lập ở Valbonne vào năm 1983, do ông C.Vérié, sau đó ông P.Gibart phụ trách đã đạt được nhiều kết quả xuất sắc, nhờ sự đầu tư đáng kể và những kinh nghiệm thực hành cực kỳ xuất sắc Họ đạt được hiệu suất kỷ lục 26% trên dđiện tích 0,04cm2 đối với PMT có cấu trúc như ở bảng 1.3 và cấu trúc Tandems Những cố gắng như vậy cần được đảm bảo bằng nguồn kinh phí lâu dài

Nói thêm về phương pháp quang khắc: Quang khắc là tập hợp các quá trình quang hóa nhằm thu được các phần tử trên bề mặt của đế có hình dạng và kích thước xác định Có nghĩa là quang khắc sử dụng các phản ứng quang hóa để tạo hình Bề mặt của đế sau khi

xử lý bề mặt được phủ một hợp chất hữu cơ gọi là chất cản quang (photoresist), có tính chất

nhạy quang (tức là tính chất bị thay đổi khi chiếu các bức xạ thích hợp), đồng thời lại bền trong các môi trường kiềm hay axit Cản quang có vai trò bảo vệ các chi tiết của vật liệu khỏi bị ăn mòn dưới các tác dụng của ăn mòn hoặc tạo ra các khe rãnh có hình dạng của các chi tiết cần chế tạo Cản quang thường được phủ lên bề mặt tấm bằng kỹ thuật quay

phủ (spin-coating)

Cản quang được phân làm 2 loại:

• Cản quang dương: Là cản quang có tính chất biến đổi sau khi ánh sáng chiếu vào sẽ bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa

• Cản quang âm: Là cản quang có tính chất biến đổi sau khi ánh sáng chiếu vào thì không bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa

d Pin mặt trời đa phổ

Nguyên lý của loại này rất đơn giản : người ta phân phổ mặt trời thành nhđiều lớp,

phải chuyển hóa tối đa bức xạ mặt trời chưa bị hấp thụ bởi lớp trước đó Loại PMT kép, còn gọi là “tandem” khá phức tạp được mô tả trên hình 1.14 Về phương dđiện điện , có nhđiều khả năng thay đổi

PMT tandem với hai đầu ra có thể xây dựng cho sự hoạt động đồng nhất, về nguyên lý không phức tạp hơn nhđiều so với GaAs nhưng có hai điều kiện rất khó thực hiện : đó là sự bằng nhau của dòng nối tắt của 2 pin và vị trí trung gian ở giữa hai pin của một điốt “đường ngầm” (tunel) bán trong suốt như một thành phần nối PMT tandem bốn lối ra dễ chế tạo hơn và có hiệu suất cao hơn

Hình 1 14 PMT tandem

e Các hệ pin mặt trời hội tụ

Trong một hệ thống quang điện, thành phần đắt tiền nhất là PMT Nếu ta giảm dđiện tích của PMT C lần nhờ hệ hội tụ C lần, ta có thể giảm giá thành hệ PMT ngay khi nó được gắn quay tự động về hướng mặt trời, hoặc ngay cả khi nó không chuyển hóa được thành phần khuếch tán của bức xạ mặt trời Rõ ràng một hệ hoạt động như vậy có thể hoạt động trong vùng nhiệt đới nơi bức xạ trực tiếp rất cao khoảng 6 – 7,5KWh/m2/ngày và sự tối ưu hóa sẽ tăng hiệu suất của toàn hệ thống

Trên hình 1.15 và 1.16 ta thấy sơ đồ sử dụng thấu kính Fesnel và và nắp đậy hình lăng trụ giảm độ che của răng contact mặt trước Thấu kình Fesnel là hệ phổ biến nhất, được hãng Entech – Texas nổi tiếng của Mỹ chọn để sử dụng Hệ thống tự quay theo mặt trời tuy có làm phức tạp thêm về cơ khí và giảm một ít độ ổn định của toàn hệ thống, nhưng hệ này có thể thúc đẩy năng lượng sinh ra một cách đáng kể, đôi khi từ 20 – 40% Ngoài làm cần chú ý sử dụng hệ thống làm lạnh để nhiệt độ của PMT không tăng lên nhiều

Hình 1 15 Thấu kính Fresnel

Hình 1 16 Nấp che lăng tụ giảm độ che của contact

Ưu điểm chính của PMT hội tụ là tăng hiệu suất chuyển hóa lên C lần (C là hệ số hội tụ) Với sự hoàn hảo về công nghệ, BP Solar đạt được hiệu suất 20,1% đối với các PMT hiệu suất 18% khi hệ số hội tụ C =1

f Pin mặt trời cho vũ trụ

Mỗi năm các vệ tinh và tàu vũ trụ sử dụng hàng trăm MWp PMT, chiếm khoảng 3% thị trường PMT nói chung Giá PMT vũ trụ vào thập niên 1960 tới 1000USD/Wp Ngày nay giá PMT dùng cho vũ trụ khoảng 55USD/Wp, đắt hơn 15 lần so với sử dụng ở mặt đất vì yêu cầu chất lượng cao, các yếu tố đó là: độ tin cậy phải hoàn hảo, hiệu suất cao và trọng lượng nhỏ Về hiệu suất phải tính đến dùng PMT ở trên vũ trụ với bức xạ lớn hơn 35% trên mặt đất, nhưng hiệu suất giảm đi 1-2% vì phổ bức xạ hơi dịch về ánh sáng xanh Ngoài ra còn phải tính đến “vành đai bức xạ” thường phá hoại PMT ở độ cao 700 – 14.000km và sự thay đổi của nhiệt độ rất lớn (từ -150oC đến 60oC) Phục vụ cho mục tiêu sử dụng ngoài vũ trụ, người ta thường sử dụng PMT GaAs hoặc PMT Si đơn tinh thể hiệu suất cao So với PMT Si, PMT GaAs có hiệu suất cao hơn nhiều thường có thể gấp rưỡi Sử dụng PMT cho

Pin mặt trời vũ trụ chính là chìa khóa cho Công nghệ thông tin Viễn thông qua các vệ tinh Có thể nói PMT vũ trụ đã đưa loài người sang một kỹ nguyên công nghệ mới, thông tin viễn thông toàn cầu và hàng loại các tđiện ích của công nghệ thông tin

Hình 1 17 Trạm Skylab – giàn pin mặt trời 20W phóng lên vũ trụ 1973

1.2 Các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của tấm pin mặt trời 1.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất pin mặt trời

𝐼𝑜1,𝑝= 𝑞𝐴𝑛𝑖

𝐷𝑛⁄𝐿𝑛𝑠𝑖𝑛ℎ[(𝑊𝑝− 𝑥𝑝) 𝐿⁄ 𝑛]+ 𝑆𝐵𝑆𝐹𝑐𝑜𝑠ℎ[(𝑊𝑝− 𝑥𝑝) 𝐿⁄ 𝑛]

𝐷𝑛⁄𝐿𝑛𝑐𝑜𝑠ℎ[(𝑊𝑝− 𝑥𝑝) 𝐿⁄ 𝑛] + 𝑆𝐵𝑆𝐹𝑠𝑖𝑛ℎ[(𝑊𝑝− 𝑥𝑝) 𝐿⁄ 𝑛]} (1.6)

Từ phương trình (1.5) và (1.6) ta được

𝐼𝑜1,𝑛, 𝐼𝑜1,𝑝𝛼𝑛𝑖2 (1.7) Từ phương trình 𝐼𝑜2 =𝑊𝐷𝑛𝑖

𝜏𝐷 có:

Sự gia tăng mật độ chất mang bên trong làm tăng dòng bão hòa tối (tái hợp) và dẫn đến giảm điện áp hở mạch, có thể thấy ở phương trình (1.9)

𝑉𝑂𝐶 ≈ 𝑘𝑇𝑞 𝑙𝑛

Dòng bão hòa tối còn phụ thuộc vào các chỉ số khác của nhiệt độ (như D, τ và S), nhưng sự phụ thuộc vào nhiệt độ của mật độ chất mang vẫn là chủ yếu Về mật độ chất mang được đưa ra bởi phương trình (1.10), cùng với (1.11) và (1.12)

𝐼𝑆𝐶

Có thể được viết lại:

𝐼𝑆𝐶 ≈ 𝐼𝑜1𝑒𝑞𝑉𝑂𝐶⁄𝑘𝑇 ≈ 𝐵𝑇𝜁𝑒−𝐸𝐺(0) 𝑘𝑇⁄ 𝑒𝑞𝑉𝑂𝐶⁄𝑘𝑇 (1.16)

Trong đó B là hằng số độc lập về nhiệt, 𝑇𝜁𝑒−𝐸𝐺(0) 𝑘𝑇⁄ là sự phụ thuộc của dòng bão hòa vào nhiệt độ Dòng điện ngắn mạch tương đối không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ trong các điều kiện hoạt động thông thường, do đó với việc lấy vi phân T ta có thể biểu diễn sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện áp mạch hở như sau:

𝑑𝑉𝑂𝐶𝑑𝑇 = −

𝑞𝐸𝐺(0) − 𝑉𝑂𝐶+ 𝜁𝑘𝑇𝑞𝑇

1.2.2 Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hiệu suất của pin năng lượng mặt trời

Công suất dàn pin mặt trời thường được tính ra công suất đỉnh hay cực đại (Peak Watt, kí hiệu là Wp) tức là công suất mà dàn pin phát ra ở điều kiện chuẩn: E0 = 1000 W/m2 và ở nhiệt độ chuẩn T0 =25oC

- Nếu gọi EβΣ là tổng cường độ bức xạ trên mặt phẳng nghiêng một góc β so với mặt phẳng ngang ta có công suất dàn pin mặt trời là:

Hình 1 18 Các tia bức xạ đến bề mặt pin mặt trời

- EΣ: Là tổng xạ trên mặt nằm ngang

- Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng xạ trên mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt)

- Trực xa: là bức xạ mặt trời nhận được khi không khí bầu khí quyển phát tán

- Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự phát tán của bầu khí quyển

- (1 + cosβ)/2 = Fcs là hệ số góc của bề mặt so với mặt trời - (1 - cosβ)/2 = Fcs là hệ số góc của bề mặt đối với mặt đất - Rg là hệ số bức xạ môi trường xung quanh

Bb: là tỷ số bức xạ của bề mặt nghiêng góc β so với bề mặt ngang 𝐵𝑏 = 𝐸𝑛

𝐸𝑏𝑛𝑔 =

𝐸𝑛𝐶𝑜𝑠θ𝐸𝑛𝐶𝑜𝑠θ𝑧 =

- Eng: Cường độ bức xạ mặt trời tới theo phương bất kỳ

- Ebng: Bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với nằm ngang

- Ebngh: Bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với mặt phẳng nghiêng

- Góc tới θ: Góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến bề mặt đó - Góc thiên đỉnh θz: Góc giứa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới Trong trường hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh là góc tới

Cường độ bức xạ tới mặt đất là hàm của thời gian τ, tính từ lúc mặt trời mọc τ =0 đến khi mặt trời lặn τ = τn /2 với τn = 24h = 24.3600s như sau:

Với: φ(τ) = ω τ: là góc nghiêng tia nắng so với mặt đất ω: là tốc độ xoay của trái đất

𝜔 =2𝜋𝑇𝑛 =

1.2.3 Ảnh hưởng của vật liệu đến hiệu suất pin năng lượng mặt trời

Cơ chế biến năng lượng mặt trời thành dòng điện thật ra là một cơ chế đơn giản Nó qua một tiến trình như sau: (1) điện tử bị quang tử "đánh bật" ra khỏi "nhà" của mình (mạng vật liệu) để lại một lỗ trống (+); (2) vì điện tử có điện tích âm (-) và lỗ trống mang điện dương (+) nên cặp âm dương (+)(-), hay là lỗ trống - điện tử (exciton) (Hình 1 và 2), không chịu rời nhau do lực hút tĩnh điện và (3) cặp (+)(-) phải được tách rời để điện tử hoàn toàn tự do đi lại cho ra dòng điện Thiếu một trong ba quá trình nầy, dòng điện không xảy ra Trong trường hợp silicon và các chất bán dẫn vô cơ khác, như đã đề cập bên trên vùng chuyển tiếp (junction) giữa p-silicon và nsilicon là nơi phân ly cặp (+) (-) Cũng như trong các áp dụng đèn phát quang, sự đổi màu điện học và các ứng dụng quang học và quang điện tử đều liên hệ đến khe dải năng lượng, vật liệu hữu cơ được đặc biệt chú trọng nhờ vào các phương pháp tổng hợp đơn giản, gia công dễ dàng, tạo được phim mỏng và có thể thiết kế để có những trị số khe dải khác nhau Những lợi điểm nầy làm giảm giá sản xuất và tạo điều kiện cho sản xuất quy mô lớn Trong pin mặt trời dùng vật liệu hữu cơ, nguyên tắc chính là sự di chuyển điện tử từ một polymer/phân tử cho điện tử (electron donor) đến một

polymer/phân tử nhận điện tử (electron acceptor) Sự di chuyển của điện tử sẽ tạo thành dòng điện Chuyện nghe đơn giản nhưng làm không đơn giản! Lý do chính là làm sao để điện tử có thể di động thoải mái để tạo dòng điện và không còn "quyến luyến" với các lỗ trống (+) lúc nào cũng chập chờn chờ đợi sự tái kết hợp

Một trong những pin mặt trời hữu cơ là pin mặt trời polymer - fullerene (thí dụ: quả bóng đá C60) [6] Polymer là các polymer mang nối liên hợp (viết tắt: polymer liên hợp) (- C = C - C = C -) như polyacetylene (PA), polypyrrole (PPy), polyaniline (PAn), polythiophene (PT), poly (phenylene vinylene) (PPV) v.v và các polymer dẫn xuất Cũng nên nhắc lại là polymer liên hợp khi kết hợp với dopant sẽ trở thành polymer dẫn điện Điện tử (e) trong nối liên hợp một lần nữa thể hiện vai trò quan trọng của nó Khi có một kích hoạt bên ngoài, chẳng hạn như quang tử của ánh sáng mặt trời, polymer mang nối liên hợp "phóng thích" các điện tử và để lại nhiều lỗ trống (+) trên mạch polymer Vì vậy, polymer liên hợp được gọi là vật liệu loại p (p-type, p =positive = dương) Ngược lại, fullerene là vật liệu nhận điện tử rất hiệu quả; sau khi nhận điện tử fullerene mang điện tích âm nên được gọi là vật liệu loại n (n-type, n = negative = âm) (Hình 4) Trong silicon ta cũng có p-silicon và n-silicon

Hình 1 19 Quang tử trong ánh sáng mặt trời đánh bật điện tử ra khỏi mạch

polymer của poly (3 - hexylthiophene) (P3HT) và được nhận bởi [6,6]-PCBM C60 (một chất dẫn xuất của C60)

Kịch bản chuyển hoán năng lượng mặt trời thành dòng điện trong các vật liệu hữu cơ cũng tương tự như silicon Những quang tử sẽ đánh bật điện tử ra khỏi mạng của vật liệu p tạo ra cặp âm dương (+) (-) (cặp điện tử - lỗ trống) Những cặp nầy khuếch tán, "rong chơi" trong vật liệu và chỉ có những cặp ở gần vùng chuyển tiếp p-n (p-n junction) thì mới có cuộc phân ly "chia loan rẽ thúy"! Sau khi chia lìa điện tử sẽ di động trong vật liệu n tiến đến cực dương và lỗ trống (+) di động trong vật liệu p tiến đến cực âm (Hình 1.20a) Dòng điện xuất hiện

Như vậy, để gia tăng hiệu suất chuyển hoán, diện tích của mặt (tiếp xúc) chuyển tiếp giữa hai vật liệu p và n cần phải được cực đại hóa Vì mặt chuyển tiếp là nơi tiếp xúc của hai vật liệu khác nhau nên được gọi là mặt chuyển tiếp dị chất (hetero-junction) Đối với các vật liệu hữu cơ việc cực đại hóa chỉ cần một phương pháp đơn giản là trộn (blend) hai vật liệu nầy tạo thành một composite Để cho sự di chuyển của điện tử và lỗ trống (+) đến điện cực không bị ùn tắt giữa đường, mô dạng (morphology) composite cần có những đường vân liên tục của vật liệu p và n đan xen vào nhau (interpenetrating) và tiếp nối đến điện cực để điện tử và lỗ trống (+) đi đến nơi đến chốn (Hình 1.20b) Ngoài ra, vật liệu phải nguyên chất (silicon có độ nguyên chất cao hơn 99.99 %) bởi vì chất tạp trở thành rào cản chận đứng sự di động của điện tử và lỗ trống (+) Đây là những đòi hỏi nhiều thử thách trong pin mặt trời hữu cơ

a b

Hình 1 20a Tiến trình phân ly của cặp lỗ trống - điện tử (h+ và e-) tại mặt chuyển

tiếp giữa vật liệu p và n

Hình 1 21b Điện tử (e-) đi theo đường vân vật liệu n tiến đến cực dương, và lỗ

trống (h+) theo đường vân vật liệu p tiến đến cực âm Dòng điện xuất hiện

1.3 Kết luận

Pin mặt trời là một nguồn điện chạy bằng năng lượng ánh sáng Nó biến trực tiếp quang năng thành điện năng Các pin quang điện thường được làm bằng Si, Se, Ge, Te, CdS, GaAs Các tấm pin mặt trời có cấu tạo tương đối phức tạp Ngoài vấn đề giá thành còn phải kể đến vấn đề hiệu suất của pin năng lượng mặt trời Hiện nay, hiệu suất của pin năng lượng mặt trời vẫn còn tương đối nhỏ do ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như: nhiệt độ, bức xạ mặt trời…từ đó khiến cho pin mặt trời vẫn chưa được khai thác hết tiềm năng

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HIỆU SUẤT TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời

Một pin mặt trời trong bóng tối có thể coi như là hai điốt Ta trình bày trong hình 2a và 2b, các đặc tính I-V thu được bằng thực nghiệm trên môđun được thử nghiệm của Ta ở hai nhiệt độ 50°C (hình 2.1a) và 100°C (hình 2.1b) đóng vai trò là tác động nhiệt Năm đường cong được thể hiện trên mỗi con số Lần đầu tiên được ghi lại tại thời điểm ban đầu (t = 0) và các lần khác tại thời điểm khác nhau của tác động (t = 20, 40, 60, 80 mn) Các đặc điểm được đưa ra trên quy mô bán logarith Ta đã quan sát những thay đổi đáng kể khác nhau giữa các đặc tính thu được ở một nhiệt độ nhất định và giữa đường đặc tính ở hai nhiệt độ khác nhau

Hình 2 1 Đặc điểm I-V của môđun quang điện dưới tác động nhiệt, I được trình

bảy theo thang đo logarith: a Ở nhiệt độ 50oC, b Ở nhiệt độ 100oC

Xem xét so sánh đầu tiên được đề cập ở trên, ở nhiệt độ cố định 50°C (hình 2.1a) và 100°C (hình 2.1b), quan sát trong cả hai hình, trong các đặc điểm I-V, hai khu vực chính mà Ta có thể liên kết với những thay đổi đáng kể trong các cơ chế dẫn Vùng đầu tiên nằm trong phạm vi điện áp rất nhỏ từ 0,1-2V tương ứng với VOC của môđun như được đưa ra bởi nhà sản xuất Vùng thứ hai là vùng kéo dài từ khoảng 2V đến điện áp đo tối đa là 6V Hai vùng này có thể được giải thích bằng sự rò rỉ dòng khuếch tán trong môđun, đó là kết quả của sự thay đổi tốc độ tái hợp điện tích ở các bề mặt chất bán dẫn Điều quan trọng cần lưu ý là mô hình trong các kết quả hiệu ứng nhiệt độ dường như tương tự với kết quả đạt được bằng các kết quả dòng ngược trước đó

Bây giờ, xem xét so sánh thứ hai của các kết quả thí nghiệm như được đề xuất ở trên