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

Các thông sá Ánh h°çng đÃn hiãu suÃt của tÃm pin mÁt tråi.. Phân tích Ánh h°çng của nhiãt đá đÃn hiãu suÃt tÃm pin nng l°āng mÁt tråi.. Phân tích Ánh h°çng của bức x¿ mÁt tråi đÃn hiãu s

NGHIÊN C ĄU CÁC GIÀI PHÁP NÂNG CAO

HI àU SUÂT TÂM PIN NNG L¯þNG M¾T TRâI

CHUYÊN NGÀNH: K Ỹ THU¾T ĐIàN

QUÀNG NINH – NM 2019

TR¯âNG Đ¾I HâC CÔNG NGHIàP QUÀNG NINH

TRÄN NGÂN HÀ

NGHIÊN C ĄU CÁC GIÀI PHÁP NÂNG CAO

HI àU SUÂT TÂM PIN NNG L¯þNG M¾T TRâI

CHUYÊN NGÀNH: K Ỹ THU¾T ĐIàN

NG¯äI H¯âNG DÀN KHOA HâC:

1 TS NGUYàN THÂ V)NH

QUÀNG NINH – NM 2019

TR¯âNG ĐH CÔNG NGHIàP QUÀNG NINH Đßc l¿p - Tự do - H¿nh phúc

NHI àM VĀ LU¾N VN TH¾C S)

Hã tên hãc viên: ……… Mã hãc viên:………

Ngày, tháng, nm sinh: ……… N¢i sinh: ………

Chuyên ngành: ……… Mã sá: ………

1 Tên đề tài:………

2 Nái dung: (Ghi theo đề c°¢ng đã đ°āc HĐ xét duyãt) ………

3 Ngày giao nhiãm vă: (Ghi theo QuyÃt đánh giao đề tài) ………

4 Ngày hoàn thiãn nhiãm vă: (Ghi theo QuyÃt đánh giao đề tài) ………

5 Cán bá h°ãng dÁn khoa hãc: (Ghi rõ hãc hàm/hãc vá, hã, tên) ………

………

………

Qu ảng Ninh, ngày … tháng … năm …

(Ký, ghi rõ h ọ tên)

TL HI àU TR¯äNG TR¯äNG KHOA (CHĂ QUÀN)

(Ký, ghi rõ h ọ tên và đóng dấu)

L âI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kÃt quÁ nghiên cứu đ°a ra trong luÃn vn này là các kÃt quÁ thu đ°āc trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi cwng vãi sā h°ãng dÁn của thNguyán Thà V*nh, không sao chép bÃt kỳ kÃt quÁ nghiên cứu nào của các tác giÁ khác Nái dung nghiên cứu có tham khÁo và sử dăng mát sá thông tin, tài liãu từ các nguãn tài liãu đã đ°āc liãt kê trong danh măc tài liãu tham khÁo

NÃu sai tôi xin cháu mãi hình thức kỷ luÃt theo quy đánh

Qu ảng Ninh, ngày ….tháng ….năm…

Tác gi Á lu¿n vn

Tr Ån Ngân Hà

L âI CÀM ¡N

Tr°ãc hÃt, tôi xin trân trãng cÁm ¢n Tr°ång Đ¿i hãc Công Nghiãp QuÁng Ninh, Khoa Điãn, các thkiÃn quý báu giúp tôi hoàn thành bÁn luÃn án này ĐÁc biãt, tôi xin bày tß lòng biÃt ¢n chân thành và sâu sÅc đÃn Th

đÿ và t¿o mãi điều kiãn thuÃn lāi cho tôi trong suát quá trình thāc hiãn luÃn án

Tôi xin cÁm ¢n gia đình và ng°åi thân đã luôn bên tôi, ủng há và đáng viên tôi trong

suát quá trình nghiên cứu

Tôi xin chân thành cÁm ¢n!

Qu ảng Ninh, ngày ….tháng ….năm…

Tác gi Á lu¿n vn

Tr Ån Ngân Hà

DANH M ĀC CÁC BÀNG

B ảng 1 1 Sản lượng pin mặt trßi 1990 – 2000(MWp) 8

Bảng 1 2 Các công nghệ PMT hiệu suất cao 11

Bảng 1 3 Cấu trúc PMT GaAs 15

B ảng 3 1 Các thông số cơ bản pin mặt trßi Mono Solarcity 60W 34

B ảng 3 2 Các thông số cơ bản bộ sạc pin mặt trßi 36

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

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

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

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

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

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

DANH M ĀC CÁC HÌNH VẼ, Đà THà

Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo của pin quang điện 3

Hình 1 2. Nguyên lý ho ạt động của Pin mặt trßi 4

Hình 1 3. H ệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2 4

Hình 1 4. Các vùng năng lượng 6

Hình 1 5. Nguyên lý d ẫn điện của v¿t dẫn 6

Hình 1 6. Nguyên lý ho ạt động của pin mặt trßi 7

Hình 1 7. Qui trình ch ế tạo pin mặt trßi từ cát 8

Hình 1 8. C ấu trúc pin mặt trßi Silic tinh thể 9

Hình 1 9. C ấu trúc Pin mặt trßi Silic vô định hình 10

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

Hình 1 11. PMT <PERC= 13

Hình 1 12. PMT TPER 13

Hình 1 13. PMT contact c ầu nối 14

Hình 1 14. PMT tandem 16

Hình 1 15. Th ấu kính Fresnel 17

Hình 1 16. N ấp che lăng tụ giảm độ che của contact 17

Hình 1 17. Tr ạm Skylab – giàn pin mặt trßi 20W phóng lên vũ trụ 1973 18

Hình 1 18. Các tia b ức xạ đến bề mặt pin mặt trßi 21

Hình 1 19. Quang t ử trong ánh sáng mặt trßi đánh b¿t điện tử ra khỏi mạch polymer của poly (3 - hexylthiophene) (P3HT) và được nh¿n bái [6,6]-PCBM C60 (một chất dẫn xuất c ủa C60) 23

Hình 1 20a. Ti ến trình phân ly của cặp lỗ trống - điện tử (h+ và e-) tại mặt chuyển tiếp gi ữa v¿t liệu p và n 24

Hình 1 21b. Điện tử (e-) đi theo đưßng vân v¿t liệu n tiến đến cực dương, và lỗ trống (h+) theo đưßng vân v¿t 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 à nhiệt độ 50oC, b à 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 m ỏng hay silic vô định hình 32

Hình 3 1. Hình ảnh pin mặt trßi Mono Solarcity 60W 34

Hình 3 2 b ộ điều khiển sạc 36

Hình 3 4. B ộ kích điện Meind 150W 38

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

Hình 3 6. Đồ thị của pin khi không áp dụng các giải pháp nâng cao hiệu suất 40

Hình 3 7. Sơ đồ tổng quan hệ thống sạc pin mặt trßi sử dụng giải pháp giảm nhiệt độ bề

m ặt pin năng lượng mặt trßi 41

Hình 3 8. Lưu đồ thu¿t toán điều khiển bơm nước làm mát 42

Hình 3 9. Đồ thị so sánh giữa pin mặt trßi có áp dụng giải pháp nâng cao hiệu suất 44

Hình 3 10. Sơ đồ tổng quan hệ thống sạc pin mặt trßi 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 trßi 45

Hình 3 12. Lưu đồ thu¿t toán điều khiển pin chuyển động hướng theo ánh sáng mặt trßi 46

Hình 3 13. Đồ thị so sánh giữa pin mặt trßi có áp dụng giải pháp nâng cao hiệu suất với pin m ặt trßi không áp dụng giải pháp nâng cao hiệu suất 51

Hình 3 14. Sơ đồ tổng quan hệ thống sạc pin mặt trßi sử dụng giải pháp điều khiển góc quay pin hướng ánh sáng 52

Hình 3 15. Lưu đồ thu¿t toán điều khiển pin chuyển động hướng theo ánh sáng mặt trßi 53

Hình 3 16. Đồ thị so sánh giữa pin mặt trßi có áp dụng giải pháp nâng cao hiệu suất với pin m ặt trßi không áp dụng giải pháp nâng cao hiệu suất 58

Hình 3 17. Đồ thị thể hiện đưßng đặc tính của hệ thống pin mặt trßi 59

M ĀC LĀC

LäI CAM ĐOAN I LäI CÀM ¡N II DANH MĂC CÁC BÀNG III DANH MĂC CÁC HÌNH VÀ, Đâ THà IV

Mæ ĐÄU 1

1, Tính cÃp thiÃt của đề tài: 1

2, Măc đích, nhiãm vă của đề tài: 2

3, Đái t°āng và ph¿m vi nghiên cứu: 2

4, Nái dung nghiên cứu: 2

5, Ph°¢ng pháp nghiên cứu: 2

6, ý ngh*a khoa hãc và thāc tián: 2

7, CÃu trúc của luÃn vn: 2

Ch°¢ng 1: TÂM PIN NNG L¯ĀNG MÀT TRäI VÀ CÁC THÔNG Sà ÀNH H¯æNG ĐÂN HIâU SUÂT 3

1.1 Giãi thiãu về pin nng l°āng mÁt tråi 3

1.1.1 Tổng quan về pin mÁt tråi 3

1.1.2 Nguyên lý ho¿t đáng 4

1.1.3 Các lo¿i pin mÁt tråi 7

1.2 Các thông sá Ánh h°çng đÃn hiãu suÃt của tÃm pin mÁt tråi 18

1.2.1 Ành h°çng của nhiãt đá đÃn hiãu suÃt pin mÁt tråi 18

1.2.2 Ành h°çng của bức x¿ mÁt tråi đÃn hiãu suÃt của pin nng l°āng mÁt tråi 20

1.2.3 Ành h°çng của vÃt liãu đÃn hiãu suÃt pin nng l°āng mÁt tråi 22

1.3 KÃt luÃn 24

CH¯¡NG 2: PHÂN TÍCH CÁC THÔNG Sà ÀNH H¯æNG TâI HIâU SUÂT TÂM PIN NNG L¯ĀNG MÀT TRäI 25

2.1 Phân tích Ánh h°çng của nhiãt đá đÃn hiãu suÃt tÃm pin nng l°āng mÁt tråi 25

2.2 Phân tích Ánh h°çng của bức x¿ mÁt tråi đÃn hiãu suÃt tÃm pin nng l°āng mÁt tråi 28

2.3 Phân tích Ánh h°çng của vÃt liãu đÃn hiãu suÃt tÃm pin nng l°āng mÁt tråi 29

CH¯¡NG 3: KÂT QUÀ THĀC NGHIâM CÁC GIÀI PHÁP NÂNG CAO HIâU SUÂT

PIN NNG L¯ĀNG MÀT TRäI 34

3.1 Các thiÃt bá c¢ bÁn của hã tháng pin nng l°āng mÁt tråi 34

3.1.1 Pin mÁt tråi Mono Solarcity 60W 34

3.1.2 Bá điều khißn s¿c 36

3.1.3 Äc quy CS3 GP 1272 F2 37

3.1.3 Bá chuyßn đổi điãn áp từ 12VDC lên 220VAC Meind 150W 38

3.2 Thí nghiãm hã tháng pin mÁt tråi đÁt cá đánh không sử dăng các giÁi pháp nâng cao hiãu suÃt 39

3.2 Thí nghiãm hã tháng pin mÁt tråi đÁt cá đánh sử dăng giÁi pháp điều chßnh nhiãt đá bề mÁt tÃm Pin mÁt tråi 41

3.2.1 S¢ đã m¿ch điều khißn 41

3.2.2 L°u đã thuÃt toán và ch°¢ng trình lÃp trình 42

3.2.3 KÃt quÁ của ph°¢ng pháp 43

3.3 Thí nghiãm hã tháng pin mÁt tråi đÁt cá đánh sử dăng giÁi pháp điều chßnh tÃm pin theo h°ãng nÅng 45

3.3.1 S¢ đã m¿ch điều khißn 45

3.3.2 L°u đã thuÃt toán và ch°¢ng trình lÃp trình 46

3.3.3 KÃt quÁ của ph°¢ng pháp 50

3.4 Thí nghiãm hã tháng pin mÁt tråi sử dăng giÁi pháp tổng hāp 52

3.4.1 S¢ đã m¿ch điều khißn 52

3.4.2.L°u đã thuÃt toán và ch°¢ng trình lÃp trình 53

3.4.3 KÃt quÁ của ph°¢ng pháp 57

3.5 KÃt luÃn và h°ãng phát trißn 59

KÂT LUÂN VÀ KIÂN NGHà 60

TÀI LIâU THAM KHÀO 61

M ä ĐÄU

1, Tính c Ãp thi¿t căa đề tài:

Xã hái loài ng°åi ngày nay đang có nhÿng phát trißn v°āt bÃc trong các l*nh vāc khoa hãc, kỹ thuÃt kéo theo ho¿t đáng kinh tÃ, công nghiãp, giao thông vÃn tÁi, đåi sáng con ng°åi ngày càng phát trißn Từ đó vÃn đề đÁm bÁo an ninh nng l°āng đÁt ra cho các n°ãc các thách thức không hề nhß Đó không chß là trách nhiãm của Nhà n°ãc, Chính phủ mà đó còn là trách nhiãm của toàn dân Nng l°āng đ°āc sử dăng chủ yÃu hiãn nay ç n°ãc ta là nng l°āng hóa th¿ch (than đá, d

sá ít nng l°āng tái t¿o nh° nng l°āng gió, nng l°āng mÁt tråi (NLMT) Quá trình sử dăng các nhiên liãu hóa th¿ch đß lÃy nng l°āng luôn kèm theo viãc phát thÁi ra các chÃt đác h¿i nh° CO2, NOx…, là nhÿng chÃt gây hiãu ứng nhà kính và làm biÃn đổi khí hÃu toàn ckhße con ng°åi Ngoài ra, nguãn nhiên liãu hóa th¿ch đang ngày càng c¿n kiãt khiÃn cho vÃn đề đÁm bÁo an nình nng l°āng ngày càng cÃp thiÃt Qua đó viãc tìm và khai thác các nguãn nng l°āng mãi đang trç thành măc tiêu hàng đnh°: thủy điãn, nng l°āng mÁt tråi, nng l°āng gió, nng l°āng đáa nhiãt…đã mç ra kỷ nguyên mãi cho nhân lo¿i

Viãt nam đ°āc xem là mát quác gia có tiềm nng rÃt lãn về nng l°āng mÁt tråi, đÁc biãt ç các vùng miền trung và miền nam của đÃt n°ãc, vãi c°ång đá bức x¿ mÁt tråi trung bình khoÁng 5 kWh/m2 Trong khi đó c°ång đá bức x¿ mÁt tråi l¿i thÃp h¢n ç các vùng phía BÅc, °ãc tính khoÁng 4 kWh/m2 do điều kiãn thåi tiÃt vãi tråi nhiều mây và m°a phwn vào mwa đông và mwa xuân æ Viãt nam, bức x¿ mÁt tråi trung bình 150 kcal/m2 chiÃm khoÁng 2.000 – 5.000 giå trên nm, vãi °ãc tính tiềm nng lý thuyÃt khoÁng 43,9 tỷ TOE Nng l°āng mÁt tråi ç Viãt nam có s¿n quanh nm, khá ổn đánh và phân bá ráng rãi trên các vùng miền khác nhau của đÃt n°ãc ĐÁc biãt, sá ngày nÅng trung bình trên các tßnh của miền trung và miền nam là khoÁng 300 ngày/nm Nng l°āng mÁt tråi có thß đ°āc khai thác cho hai nhu ctråi vÁn ch°a dành đ°āc sā quan tâm đúng māc của Nhà n°ãc và của nhân dân Nguyên do chủ yÃu là do giá thành pin mÁt tråi vÁn còn cao Mát phvÁn cao do sử dăng các nguyên liãu đÅt tiền Không nhÿng thÃ, hiãu suÃt của pin nng l°āng vÁn còn thÃp, dÁn đÃn chi phí đß sÁn xuÃt ra 1kW điãn cao h¢n nhiều so vãi viãc sử dăng các nguãn nng l°āng hóa th¿ch Hiãu suÃt của tÃm pin nng l°āng mÁt tråi phă thuác nhiều vào yÃu tá nh°: nhiãt đá, bức x¿ mÁt tråi… Làm thà nào đß giÁm thißu các tác đáng tiêu cāc đß qua đó tng cao hiãu suÃt của pin mÁt tråi từ đó giÁm giá thành sÁn xuÃt điãn nng đÁm bÁo an ninh nng l°āng Đß giÁi quyÃt vÃn đề đÁt ra ç trên, tác giÁ chãn đề tài:

2, M āc đích, nhiám vā căa đề tài:

- Đề xuÃt giÁi pháp nâng cao hiãu suÃt tÃm pin nng l°āng mÁt tråi

- Đánh giá các thông sá Ánh h°çng đÃn hiãu suÃt tÃm pin nng l°āng mÁt tråi

- Nghiên cứu, đề xuÃt các ph°¢ng pháp nâng cao hiãu suÃt tÃm pin nng l°āng mÁt tråi

3, Đßi t°ÿng và ph¿m vi nghiên cąu:

- Đái t°āng: nâng cao hiãu suÃt tÃm pin mÁt tråi

- Ph¿m vi: nâng cao hiãu suÃt tÃm pin mÁt tråi

4, N ßi dung nghiên cąu:

- Nghiên cứu các thông sá Ánh h°çng đÃn hiãu suÃt của pin nng l°āng mÁt tråi

- Nghiên cứu các ph°¢ng pháp nâng cao hiãu suÃt tÃm pin nng l°āng mÁt tråi

- Xây dāng mô hình pin nng l°āng mÁt tråi

5, Ph°¢ng pháp nghiên cąu:

- Nghiên cứu lý thuyÃt tổng quát về pin nng l°āng mÁt tråi

- Nghiên cứu các giÁi pháp nâng cao hiãu suÃt pin mÁt tråi, so sánh các giÁi pháp đß tìm ra giÁi pháp tái °u nhÃt đß nâng cao hiãu suÃt tÃm pin nng l°āng mÁt tråi

6, ý ngh*a khoa hãc và thực tißn:

Đánh giá các thông sá Ánh h°çng đÃn hiãu suÃt của tÃm pin nng l°āng mÁt tråi, nghiên cứu các ph°¢ng pháp nâng cao hiãu suÃt tÃm pin nng l°āng mÁt tråi Đề suÃt các kiÃn nghá, giÁi pháp nâng cao hiãu suÃt cho tÃm pin nng l°āng mÁt tråi Do vÃy đề tài mang tính khoa hãc và thāc tián cao

7, C Ãu trúc căa lu¿n vn:

- Ch°¢ng 1 TÃm pin nng l°āng mÁt tråi và các thông sá Ánh h°çng đÃn hiãu suÃt

- Ch°¢ng 2 Phân tích các thông sá Ánh h°çng tãi hiãu suÃt tÃm pin nng l°āng mÁt tråi

- Ch°¢ng 3 KÃt quÁ thāc nghiãm các giÁi pháp nâng cao hiãu suÃt pin nng l°āng mÁt tråi

Ch°¢ng 1: TÂM PIN NNG L¯ĀNG MÀT TRäI VÀ CÁC THÔNG

Sà ÀNH H¯æNG ĐÂN HIâU SUÂT

1.1 Gi ái thiáu về pin nng l°ÿng m¿t trãi

1.1.1 T ổng quan về pin m¿t trãi

Pin mÁt tråi là mát nguãn điãn ch¿y bằng nng l°āng ánh sáng Nó biÃn trāc tiÃp quang nng thành điãn nng

Các pin quang điãn th°ång đ°āc làm bằng Si, Se, Ge, Te, CdS, GaAs Ta hãy xét cÃu t¿o và ho¿t đáng chung của pin quang điãn

Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo của pin quang điện

Pin có mát tÃm bán dÁn lo¿i n, bên trên có phủ mát lãp mßng chÃt bán dÁn lo¿i p (Hình 1.1) Có thß t¿o ra lãp này bằng cách cho khuÃch tán mát t¿p chÃt thích hāp vào lãp

bề mÁt của lãp bán dÁn lo¿i n Trên cùng là mát lãp kim lo¿i rÃt mßng D°ãi cùng là mát

đà kim lo¿i Các kim lo¿i này cwng đóng vai trò các điãn cāc tr¢

Electron sÁ khuÃch tán từ bán dÁn lo¿i n sang bán dÁn lo¿i p, đß l¿i nhÿng lß tráng d°¢ng Các êlectron này vÁn có liên kÃt vãi các lß tráng t¿o thành mát lãp gãi là lãp tiÃp xúc p – n Trong lãp tiÃp xúc này có điãn tr°ång Etx h°ãng từ d°¢ng sang âm, tức là h°ãng

từ bán dÁn lo¿i n sang bán dÁn lo¿i p Điãn tr°ång Etx ngn cÁn sā khuÃch tán của êlectron

từ n sang p và lß tráng từ p sang n Vì vÃy ng°åi ta còn gãi lãp tiÃp xúc này là lãp chÁn Khi chiÃu ánh sáng có b°ãc sóng ngÅn h¢n giãi h¿n quang dÁn vào lãp kim lo¿i mßng phía trên cùng thì ánh sáng sÁ đi xuyên qua lãp này vào lãp bán dÁn lo¿i p, gây ra hiãn t°āng quang điãn trong và giÁi phóng ra các cÁp êlectron và lß tráng Electron khuÃch tán dá dàng từ p sang n qua lãp chÁn Còn lß tráng thì bá chÁn l¿i và ç l¿i trong lãp p KÃt quÁ là điãn cāc kim lo¿i mßng ç trên sÁ nhiám điãn d°¢ng và trç thành điãn cāc d°¢ng của pin, còn đà kim lo¿i ç phNÃu nái hai điãn cāc bằng mát dây dÁn thông qua mát ampe kà thì sÁ có dòng quang điãn ch¿y từ cāc d°¢ng sang cāc âm SuÃt điãn đáng của pin quang điãn nằm trong khoÁng

từ 0,5V đÃn 0,8V VÃy nguyên tÅc ho¿t đáng của pin quang điãn là dāa vào hiãn t°āng

Pin quang điãn đã đ°āc dùng làm nguãn điãn cho các tr¿m nghiên cứu và cho sinh ho¿t ç nhÿng n¢i khó khn cho viãc dÁn điãn l°ãi đÃn nh°: núi cao, hÁi đÁo, các ph°¢ng tiãn l°u đáng, vã tinh nhân t¿o, tr¿m vũ tră Đß tránh gây ô nhiám môi tr°ång, ng°åi ta

đã nghiên cứu thay thà các đáng c¢ ch¿y xng ç ôtô, máy bay bằng các đáng c¢ ch¿y bằng pin quang điãn

Ng°åi ta sử dăng Pin quang điãn đß biÃn đổi nng l°āng ánh sáng mÁt tråi thành điãn nng (Solar Cell) NÃu dwng pin quang điãn bằng chÃt bán dÁn Silic, hiãu suÃt của nó có thß đ¿t đÃn 14 - 15% Ng°åi ta tính đ°āc trên diãn tích 1m2 của pin quang điãn đ°āc ánh sáng chiÃu tãi ta có thß nhÃn đ°āc mát công suÃt điãn là 100W và nh° vÃy vãi diãn tích của mát mái nhà trung bình ta có đủ điãn nng đß thßa mãn mãi tiãn nghi cho mát gia đình Tuy nhiên, về giá thành của các Pin quang điãn hiãn nay còn t°¢ng đái khá đÅt so vãi các nguãn nng l°āng khác

1.1.2 Nguyên lý ho ¿t đßng

Hình 1 2. Nguyên lý ho ạt động của Pin mặt trßi

Hình 1 3. H ệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2

Bình th°ång điãn tử chiÃm mức nng l°āng thÃp h¢n E1 Khi chiÃu sáng hã tháng, l°āng tử ánh sáng (photon) mang nng l°āng hv (h là hằng sá Plank và v là t

bá điãn tử hÃp thă và chuyßn lên mức E2

Ph°¢ng trình cân bằng nng l°āng:

Trong các vÃt rÅn, do t°¢ng tác rÃt m¿nh của m¿ng tinh thß lên điãn tử vành ngoài, nên các nng l°āng của nó bá tách ra nhiều mức nng l°āng con rÃt sát nhau và t¿o thành vwng nng l°āng Vwng nng l°āng thÃp bá các điãn tử chiÃm đgãi là vùng hoá trá mà bên trên của nó có nng l°āng EV Vwng nng l°āng phía trên tiÃp

đó hoàn toàn tráng hoÁc chß bá chiÃm mát phl°āng là EC, cách ly giÿa vùng hóa trá và vùng dÁn đó gãi là mát vùng cÃm có đá ráng nng l°āng là Eg, trong đó không có mức nng l°āng cho phép nào của điãn tử

Khi ánh sáng chiÃu đÃn vÃt rÅn có vwng nng l°āng nói trên, photon có nng l°āng hv tãi hã tháng, bá điãn tử của vùng hoá trá hÃp thă và nó có thß chuyßn lên vùng dÁn đß trç thành điãn tử tā do e-, lúc này vùng hoá trá sÁ có mát lß tráng có thß di chuyßn nh° <h¿t< mang điãn tích d°¢ng nguyên tá (kí hiãu h+) Lß tráng này có thß di chuyßn và tham gia van quá trình dÁn điãn

VÃy khi chiÃu sáng vào vÃt rÅn, điãn tử ç vùng hoá trá hÃp thă nng l°āng photon hv

và chuyßn lên vùng dÁn t¿o ra cÁp h¿t dÁn điãn tử – lß tráng e- - h+, tức là t¿o ra mát điãn

Hình 1 4. Các vùng năng lượng

Hiãn t°āng đó gãi là hiãn t°āng quang điãn bên trong Nguyên lý ho¿t đáng của pin mÁt tråi chính là hiãn t°āng quang điãn xÁy ra trên lãp tiÃp xúc p - n Khi mát photon ch¿m vào mÁnh Silic, mát trong hai điều sau sÁ xÁy ra: Photon truyền trāc xuyên qua mÁnh silic Điều này th°ång xÁy ra khi nng l°āng của photon thÃp h¢n nng l°āng đủ đß đ°a các h¿t electron lên mức nng l°āng cao h¢n Nng l°āng của photon đ°āc hÃp thă bçi silic Điều này th°ång xÁy ra khi nng l°āng của photon lãn h¢n nng l°āng đß đ°a electron lên mức nng l°āng cao h¢n Khi photon đ°āc hÃp thă, nng l°āng của nó đ°āc truyền đÃn các h¿t electron trong màng tinh thß Thông th°ång các electron này lãp ngoài cwng, và th°ång đ°āc kÃt dính vãi các nguyên tử lân cÃn vì thà không thß di chuyßn xa Khi electron đ°āc kích thích, trç thành dÁn điãn, các electron này có thß tā do di chuyßn trong bán dÁn

Hình 1 5. Nguyên lý d ẫn điện của v¿t dẫn

Khi đó nguyên tử sÁ thiÃu 1 electron và đó gãi là lß tráng Lß tráng này t¿o điều kiãn cho các electron của nguyên tử bên c¿nh di chuyßn đÃn điền vào lß tráng, và điều này t¿o

ra lß tráng cho nguyên tử lân cÃn có "lß tráng" Cứ tiÃp tăc nh° vÃy lß tráng di chuyßn xuyên suát m¿ch bán dÁn

Mát photon chß cngoài cùng dÁn điãn Tuy nhiên, t

nên phmÁt tråi chuyßn đổi thành nng l°āng nhiãt nhđiều h¢n là nng l°āng điãn sử dăng đ°āc

Hình 1 6. Nguyên lý ho ạt động của pin mặt trßi

1.1.3 Các lo ¿i pin m¿t trãi

1.1.3.1 Pin m ¿t trãi tinh thể Silic

Từ vÃt liãu ban đ2) ng°åi ta tinh chà ra Silic rãi sau đó t¿o Silic đa tinh thß bằng công nghã đúc khái hoÁc kéo thành đ¢n tinh thß theo công nghã Choxranski Khi

đã có khái vÃt liãu tinh thß Silic, ng°åi ta c°a, cÅt chúng bằng dao kim c°¢ng, laser thành các phiÃn tinh thß Silic dày khoÁng 400 ¼m Qua các công đo¿n c°a, cÅt, xử lý hóa hãc, mài, t¿y s¿ch bề mÁt đß chu¿n bá và các b°ãc công nghã tiÃp theo vÃt liãu đã bá tiêu hao khoÁng 50%

Sau khi đã có phiÃn Silic tinh thß tiêu chu¿n, ng°åi ta tiÃn hành b°ãc quan trãng nhÃt trong công nghã làm PMT là t¿o lãp chuyßn tiÃp p – n bằng cách pha Brôm (Br), photpho (P) vào phiÃn pin Silic từ các nguãn Br, P rÅn ç nhiãt đá 900 – 1000oC Đây là mát chu trình đòi hßi sā chính xác cao vì nó quyÃt đánh hiãu suÃt của PMT

Hình 1 7. Qui trình ch ế tạo pin mặt trßi từ cát

B ảng 1 1 Sản lượng pin mặt trßi 1990 – 2000(MWp)

Silic vô đánh hình

Hình 1 8. C ấu trúc pin mặt trßi Silic tinh thể

Khi có ánh sáng chiÃu tãi, hai lo¿i h¿t tÁi tā do đ°āc t¿o ra trong lòng bán dÁn Silic gãm các điãn tử tā do mang điãn tích âm ç vùng dÁn và các lß tráng tā do mang điãn tích d°¢ng ç vùng hóa trá Quá trình chuyßn hóa quang nng mÁt tråi thành điãn nng xÁy ra khi các h¿t tÁi tā do này đ°āc các photon ánh sáng kích ho¿t và di chuyßn theo hai chđiều ng°āc nhau d°ãi tác dăng của nái điãn tr°ång ç vùng chuyßn tiÃp p – n, dòng điãn đ°āc lÃy ra nhå hai contact ç mÁt tr°ãc và mÁt sau của phiÃn PMT

CÃu trúc tiêu bißu của mát phiÃn PMT silic tinh thß đ°āc mô tÁ trên hình 8 Trên cùng

là lãp contact mÁt tr°ãc đ°āc chà t¿o bằng công nghã in l°ãi, kà tiÃp là màng cháng phÁn x¿ nhằm tng cao hiãu suÃt chuyßn hóa PhtiÃp p – n tiÃp theo là lãp contact mÁt sau Từ 2 lãp contact mÁt tr°ãc và sau ng°åi ta hàn các dây Ni-Cr đß lÃy điãn ra Thông th°ång mßi phiÃn PMT cho thà hç m¿ch khoÁng 0,5V còn dòng ngÅn m¿ch tùy thuác theo dđiãn tích của phiÃn PMT

1.1.3.2 Pin m ¿t trãi Silic vô đánh hình

Pin mÁt tråi Silic vô đánh hình ra đåi sau cùng nhÃt Ra mÅt l

t¿i phòng thí nghiãm RCA của Mỹ Tuy nhiên giá thành của nó r¿ h¢n các lo¿i khác nhå quá trình chà t¿o có nhiều °u thÃ, chu trình khép kín, khÁ nng làm diãn tích ráng Do vÃy

mà pin mÁt tråi Silic vô đánh hình đã nhanh chóng chiÃm l*nh thá tr°ång màng TiO

Hình 1 9. C ấu trúc Pin mặt trßi Silic vô định hình

Ng°åi ta t¿o ra PMT vô đánh hình ç pha khí bằng cách phân hủy khí Silan SiH4 và chuyßn tiÃp P.I.N đ°āc t¿o ra bçi sā pha t¿p của khí B2H6và PH4 Contact mÁt tr°ãc đ°āc dùng là các lo¿i màng oxit trong suát nh° TiO, SnO nh°ng phổ biÃn nhÃt là màng ITO

Vì là lo¿i pin vô đánh hình, nên nó có thß đ°āc chà t¿o trên bÃt kỳ lo¿i đà nào nh°: sÅt, thủy tinh, sành sứ vãi diãn tích ráng lãn h¢n hẳn lãai pin tinh thß Mỹ và NhÃt BÁn là hai n°ãc dÁn đtrong viãc nghiên cứu đ°a lo¿i pin này thành mát lo¿i <vÃt liãu xây dāng= nh° ngói mÁt tråi và kính cửa sổ mÁt tråi Có thß nói rằng đây là mát lo¿i PMT có rÃt nhđiều hứa hẹn trong thà kỷ tãi khi mà kỹ thuÃt và công nghã nâng đ°āc hiãu suÃt của nó lên cao h¢n và

đá lão hóa ổn đánh h¢n Nhÿng công bá g

đã đ¿t đ°āc nhÿng b°ãc tiÃn dài về hiãu suÃt nh° SANYO 11,7%; TDK 12%; FUJI 11,5%; ECD 11,3%; SOLAREX 10,9%; GLASS TECH 10,6%; ARCO SOLAR 10,2% Mát s¢

đã nguyên lý chà t¿o PMT vô đánh hình đ°āc mô tÁ trên hình 1.10

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

1.1.3.3 Pin m ¿t trãi hiáu suÃt cao

a Pin m ¿t trãi Silic đa tinh thể

Đß h¿ giá thành PMT, các hãng Solarex, Photowatt, Kyocera đã chãn Silic đa tinh thß, là vÃt liãu r¿ tiền, làm vÃt liãu chà t¿o PMT VÃn đề đÁt ra là cPMT này (nm 1990 mãi đ¿t cÿ 10 – 12%) RÃt nhiều ph°¢ng pháp đã đ°āc thử nghiãm

Ví dă trong ch°¢ng trình châu Âu <Multichess=, các c¢ sç nh° IMFC (Bß), CNRS và Photowatt, Eurosolaire và Enea (Ý) đã đ¿t đ°āc PMT diãn tích 4cm2, hiãu suÃt 16,5% vào nm 1993, bằng cách sử dăng các công nghã chà t¿o PMT kỹ thuÃt cao nêu ç đißm a, b, c,

e, f và g trong bÁng 1.2

Ngày nay, các PMT của Photowatt sử dăng ph°¢ng pháp đ¿t hiãu suÃt 15% trên diãn tích 100cm2 Viãn công nghã Georgran thu đ°āc hiãu suÃt 17,7% trên đà 1cm2 và Kyocera thu đ°āc 16,4% trên dđiãn tích 225cm2 Nh° vÃy hiãu suÃt 16% đái vãi PMT Silic đa tinh thß là đã đ¿t đ°āc, đß có thß sÁn xuÃt đ¿i trà

Bảng 1 2 Các công nghệ PMT hiệu suất cao

a Thă đáng hóa emitter N+ bằng oxide GiÁm tái hāp bề mÁt tr°ãc

b Làm mßng lãp Emitter Thă đáng hóa bề mÁt tr°ãc

c Sử dăng tr°ång mÁt sau bằng cách pha

e Gotter bằng phopho CÁi thiãn chÃt l°āng vÃt liãu đà P

f Bác h¢i chân không contact

g Màng cháng phÁn x¿ ARC kép

b Silic đ¢n tinh thể

Phương pháp đạt hiệu suất cao:

Các hãng sÁn xuÃt PMT lãn nhÃt thà giãi là Siemens Solar và BP Solar ç châu Âu, Solarex (Mỹ), Kyocera (NhÃt) vv sử dăng Silic đ¢n tinh thß chà t¿o bằng ph°¢ng pháp Czochralsky đß làm vÃt liãu đà Có hai đißm bÃt lāi là phiÃn Silic rÃt đÅt và có d¿ng tròn, không tiãn lāi khi đóng module ¯u đißm chính là cùng công nghã chà t¿o, hiãu suÃt biÃn đổi quang điãn cao h¢n Silic đa tinh thß từ 1 – 2% Tuy nhiên xét về giá thành trên watt

đßnh của thành ph¿m là nh° nhau

B¿n có thß thÃy thßi Silicon có hình tră mà không phÁi là hình khái là do quá trình xử

lí Czochralski, thßi đ°āc t¿o bằng cách kéo và quay silicon nóng chÁy và hình d¿ng tā nhiên của tinh thß Silicon trong kÃt quÁ của quá trình trên là hình tròn chứ không phÁi hình vuông

Các tiến bộ đang được thực hiện:

Theo phân tích của Siemens Solar, giá thành cuái cùng phă thuác giá nguyên liãu (20 –40USD/kg), chiều dày phiÃn Silic và hiãu suÃt biÃn đổi quang điãn Bằng cách giÁm đá d2USD/Wp

Ch°¢ng trình nghiên cứu của châu Âu lÃy tên <Eurochess= gãm các phòng thí nghiãm

ç Madrid (Tây Ban Nha), Freiburg (Đức) và Leren (Bß), hãng BP Solar và Siemens Solar

có nhiãm vă chung là đ¿t tãi hiãu suÃt 18% bằng công nghã mà giá thành sÁn xuÃt chÃp nhÃn đ°āc trong công nghiãp BP Solar đã đ¿t đ°āc 16,5% Các cá gÅng tÃp trung vào viãc t¿o màng contact kim lo¿i r¿ tiền nh°: in lăa, lÅng đãng hóa hãc Nikel, hoÁc t¿o bề mÁt tr°ãc gã ghề bằng n mòn hóa hãc, xử lý c¢ hãc

Các PMT hi áu suÃt cao:

Bằng cách sử dăng contact bác bay, màng cháng phÁn x¿ kép, emitter và contact đánh

xứ, Viãn nng l°āng mÁt tråi Freiburg (Đức) đã đ¿t đ°āc hiãu suÃt 20,7% trên diãn tích 4cm2 từ vÃt liãu Silic đ¢n tinh thß chà t¿o từ Pin mÁt tråi có tiÃp xúc ph°¢ng pháp Czochralsky (Cz) Thay vÃt liãu này bằng Silic đ¢n tinh thß chà t¿o từ ph°¢ng pháp nóng chÁy vùng thẳng đứng (Si Fz), bằng công nghã t°¢ng tā, Viãn Freiburg đ¿t hiãu suÃt 22,3% trên dđiãn tích 4cm2

Bằng vÃt liãu Si Fz, vãi các cÃu trúc PMT khác, các kỷ lăc về hiãu suÃt cũng đã đ¿t đ°āc Chúng ta nêu ra hai tr°ång hāp đißn hình:

• Các PMT Perc và Perl của đ¿i hãc Sydney (Úc) đã đ¿t đ°āc hiãu suÃt 23,5% trên diãn tích 4cm2 (6) trong hình 1.11:

- Perc (passivated emitter and real cell): Bề mÁt tr°ãc đ°āc làm gã ghề theo kißu <Piramid= bằng ph°¢ng pháp quang khÅc (photolito – graphic), emitter và bề mÁt sau đ°āc thă đáng hóa bằng oxid

- Perl (passivated emitter and real locally diffused cell) : lo¿i PMT này giáng nh° trên cáng thêm lãp p+ đánh xứ mÁt sau

PMT vãi contact c22% trên dđiãn tích 18cm2 vãi hai b°ãc quang khÅc đ°āc bán cho hãng Honda đß trang bá cho ô tô Dream phăc vă các cuác thi ô tô mÁt tråi

Chúng ta có thß kÃt luÃn rằng PMT Silic đ¢n tinh thß vãi hiãu suÃt 20% hoàn toàn có thß đ¿t đ°āc trong mát ngày gsuÃt cao h¢n vãi công nghã rÃt đÅt tiền rÃt khó chÃp nhÃn cho măc tiêu sử dăng bình th°ång trên mÁt đÃt Tuy vÃy chúng ta có thß dùng công nghã chà t¿o PMT hái tă cao cho măc tiêu

đó

Hình 1 13. PMT contact c ầu nối

c Pin m ¿t trãi GaAs

Sau Silic, GaAs là vÃt liãu bán dÁn đ°āc sử dăng nhiều nhÃt cho vi điãn tử Đái vãi

sử dăng mÁt tråi nó có °u đißm là đ¿t thà hç m¿ch cao (1,0V thay vì 0,7V đái vãi Si) và hiãu suÃt biÃn đổi quang điãn cao (kỷ lăc là 25% thay vì 23%) mÁc dù phổ hãng ngo¿i gnh° bá cÅt làm giÁm dòng nái tÅt xuáng còn 28mA/cm2 (thay vì 40mA/cm2) Công nghã chà t¿o phức t¿p h¢n nhđiều so vãi PMT Si ván không thß sử dăng ph°¢ng pháp thă đáng hóa bằng oxid, nh°ng có thß thay thà bằng lãp <cửa sổ= Ga-xAlxAs) (x g

mÁt tr°ãc th°ång đ°āc chà t¿o trên lãp bề mÁt pha t¿p m¿nh đánh xứ nhå ph°¢ng pháp quang khÅc Các đ¢n tinh thß của đà th°ång chiÃm bề mÁt nhß và rÃt đÅt nh°ng ng°åi ta có thß thay thà bằng đ¢n tinh thß Ge PMT GaAs đ°āc chà t¿o bằng nhiều lãp hāp chÃt có nãng đá pha t¿p khác nhau, mát trong nhÿng cÃu trúc đ¢n giÁn nhÃt đ°āc trình bày ç bÁng 1.3

Các lãp này đ°āc t¿o ra trong quá trình tinh thß đ°āc lãn lên liên tăc Sā lãn lên của tinh thß xÁy ra trong pha lßng, pha h¢i hoÁc bằng bán phân tử trong thiÃt bá rÃt phức t¿p và bÅt buác phÁi sử dăng khí vô cwng đác

Bảng 1 3 Cấu trúc PMT GaAs

0,5 0,05 0,5

3 0,75 1,5

300 –500

Contact Cửa sổ Emitter

ĐÃ Tr°ång mÁt sau Lãp đãm

ĐÃ

GaAs

Gan-1AlnAs GaAs GaAs

Gan-8Aln-2As GaAs

æ Pháp, mát phòng thí nghiãm chuyên dăng đã đ°āc CNRS thành lÃp ç Valbonne vào nm 1983, do ông C.Vérié, sau đó ông P.Gibart phă trách đã đ¿t đ°āc nhiều kÃt quÁ xuÃt sÅc, nhå sā đhiãu suÃt kỷ lăc 26% trên dđiãn tích 0,04cm2 đái vãi PMT có cÃu trúc nh° ç bÁng 1.3 và cÃu trúc Tandems Nhÿng cá gÅng nh° vÃy cNói thêm về ph°¢ng pháp quang khÅc: Quang khÅc là tÃp hāp các quá trình quang hóa nhằm thu đ°āc các phngh*a là quang khÅc sử dăng các phÁn ứng quang hóa đß t¿o hình Bề mÁt của đà sau khi

xử lý bề mÁt đ°āc phủ mát hāp chÃt hÿu c¢ gãi là chÃt cÁn quang (photoresist), có tính chÃt nh¿y quang (tức là tính chÃt bá thay đổi khi chiÃu các bức x¿ thích hāp), đãng thåi l¿i bền trong các môi tr°ång kiềm hay axit CÁn quang có vai trò bÁo vã các chi tiÃt của vÃt liãu

khßi bá n mòn d°ãi các tác dăng của n mòn hoÁc t¿o ra các khe rãnh có hình d¿ng của

phủ (spin-coating)

CÁn quang đ°āc phân làm 2 lo¿i:

• CÁn quang d°¢ng: Là cÁn quang có tính chÃt biÃn đổi sau khi ánh sáng chiÃu vào sÁ

bá hòa tan trong các dung dách tráng rửa

• CÁn quang âm: Là cÁn quang có tính chÃt biÃn đổi sau khi ánh sáng chiÃu vào thì không bá hòa tan trong các dung dách tráng rửa

d Pin m ¿t trãi đa phổ

Nguyên lý của lo¿i này rÃt đ¢n giÁn : ng°åi ta phân phổ mÁt tråi thành nhđiều lãp,

phÁi chuyßn hóa tái đa bức x¿ mÁt tråi ch°a bá hÃp thă bçi lãp tr°ãc đó Lo¿i PMT kép, còn gãi là <tandem= khá phức t¿p đ°āc mô tÁ trên hình 1.14 Về ph°¢ng dđiãn điãn , có nhđiều khÁ nng thay đổi

PMT tandem vãi hai đ

lý không phức t¿p h¢n nhđiều so vãi GaAs nh°ng có hai điều kiãn rÃt khó thāc hiãn : đó

là sā bằng nhau của dòng nái tÅt của 2 pin và vá trí trung gian ç giÿa hai pin của mát điát

<đ°ång ngchà t¿o h¢n và có hiãu suÃt cao h¢n

Hình 1 14. PMT tandem

e Các h á pin m¿t trãi hßi tā

Trong mát hã tháng quang điãn, thành phtích của PMT C lgÅn quay tā đáng về h°ãng mÁt tråi, hoÁc ngay cÁ khi nó không chuyßn hóa đ°āc thành phtrong vùng nhiãt đãi n¢i bức x¿ trāc tiÃp rÃt cao khoÁng 6 – 7,5KWh/m2/ngày và sā tái °u hóa sÁ tng hiãu suÃt của toàn hã tháng

Trên hình 1.15 và 1.16 ta thÃy s¢ đã sử dăng thÃu kính Fesnel và và nÅp đÃy hình lng tră giÁm đá che của rng contact mÁt tr°ãc ThÃu kình Fesnel là hã phổ biÃn nhÃt, đ°āc hãng Entech – Texas nổi tiÃng của Mỹ chãn đß sử dăng Hã tháng tā quay theo mÁt tråi tuy

có làm phức t¿p thêm về c¢ khí và giÁm mát ít đá ổn đánh của toàn hã tháng, nh°ng hã này

có thß thúc đ¿y nng l°āng sinh ra mát cách đáng kß, đôi khi từ 20 – 40% Ngoài làm cchú ý sử dăng hã tháng làm l¿nh đß nhiãt đá của PMT không tng lên nhiều

Hình 1 15. Th ấu kính Fresnel

Hình 1 16. N ấp che lăng tụ giảm độ che của contact

¯u đißm chính của PMT hái tă là tng hiãu suÃt chuyßn hóa lên C ltă) Vãi sā hoàn hÁo về công nghã, BP Solar đ¿t đ°āc hiãu suÃt 20,1% đái vãi các PMT hiãu suÃt 18% khi hã sá hái tă C =1

f Pin m ¿t trãi cho vũ trā

Mßi nm các vã tinh và tàu vũ tră sử dăng hàng trm MWp PMT, chiÃm khoÁng 3% thá tr°ång PMT nói chung Giá PMT vũ tră vào thÃp niên 1960 tãi 1000USD/Wp Ngày nay giá PMT dwng cho vũ tră khoÁng 55USD/Wp, đÅt h¢n 15 l

vì yêu cl°āng nhß Về hiãu suÃt phÁi tính đÃn dùng PMT ç trên vũ tră vãi bức x¿ lãn h¢n 35% trên mÁt đÃt, nh°ng hiãu suÃt giÁm đi 1-2% vì phổ bức x¿ h¢i dách về ánh sáng xanh Ngoài ra còn phÁi tính đÃn <vành đai bức x¿= th°ång phá ho¿i PMT ç đá cao 700 – 14.000km và sā thay đổi của nhiãt đá rÃt lãn (từ -150oC đÃn 60oC) Phăc vă cho măc tiêu sử dăng ngoài vũ tră, ng°åi ta th°ång sử dăng PMT GaAs hoÁc PMT Si đ¢n tinh thß hiãu suÃt cao So vãi PMT Si, PMT GaAs có hiãu suÃt cao h¢n nhiều th°ång có thß gÃp r°ÿi Sử dăng PMT cho

Pin mÁt tråi vũ tră chính là chìa khóa cho Công nghã thông tin Vián thông qua các vã tinh Có thß nói PMT vũ tră đã đ°a loài ng°åi sang mát kỹ nguyên công nghã mãi, thông tin vián thông toàn c

Hình 1 17. Tr ạm Skylab – giàn pin mặt trßi 20W phóng lên vũ trụ 1973

1.2 Các thông s ß Ánh h°ång đ¿n hiáu suÃt căa tÃm pin m¿t trãi

1.2.1 Ành h°ång căa nhiát đß đ¿n hiáu suÃt pin m¿t trãi

ýÿÿ ≈ ýÿă þĀ�㔼�㔼ÿÿ

Dòng bão hòa tái còn phă thuác vào các chß sá khác của nhiãt đá (nh° D, Ç và S), nh°ng sā phă thuác vào nhiãt đá của mÃt đá chÃt mang vÁn là chủ yÃu Về mÃt đá chÃt mang đ°āc đ°a ra bçi ph°¢ng trình (1.10), cùng vãi (1.11) và (1.12)

ýÿÿ ≈ ýÿă þĀ�㔼�㔼ÿÿ

Có thß đ°āc viÃt l¿i:

�㔼ÿÿ ≈ �㔼ā1ÿăý�㕂ÿ⁄ �㕘Ā ≈ þÿÿÿ2āþ(0) �㕘Ā ⁄ ÿăý�㕂ÿ⁄ �㕘Ā (1.16)

Trong đó B là hằng sá đác lÃp về nhiãt, ÿÿÿ2āþ(0) �㕘Ā ⁄ là sā phă thuác của dòng bão hòa vào nhiãt đá Dòng điãn ngÅn m¿ch t°¢ng đái không bá Ánh h°çng bçi nhiãt đá trong các điều kiãn ho¿t đáng thông th°ång, do đó vãi viãc lÃy vi phân T ta có thß bißu dián sā phă thuác vào nhiãt đá của điãn áp m¿ch hç nh° sau:

1.2.2 Ành h°ång căa bąc x¿ m¿t trãi đ¿n hiáu suÃt căa pin nng l°ÿng m¿t trãi

Công suÃt dàn pin mÁt tråi th°ång đ°āc tính ra công suÃt đßnh hay cāc đ¿i (Peak Watt,

kí hiãu là Wp) tức là công suÃt mà dàn pin phát ra ç điều kiãn chu¿n: E0 = 1000 W/m2 và

Hình 1 18. Các tia b ức xạ đến bề mặt pin mặt trßi

- Tán x¿: là bức x¿ mÁt tråi nhÃn đ°āc sau khi h°ãng của nó đã

bá thay đổi do sā phát tán của b

- (1 + cosβ)/2 = Fcs là hã sá góc của bề mÁt so vãi mÁt tråi

- (1 - cosβ)/2 = Fcs là hã sá góc của bề mÁt đái vãi mÁt đÃt

- Rg là hã sá bức x¿ môi tr°ång xung quanh

Bb: là tỷ sá bức x¿ của bề mÁt nghiêng góc β so vãi bề mÁt ngang

þÿ = āĀ

āÿĀā = āĀÿāąθ

āĀÿāąθ�㕧 = ÿāąā

- Eng: C°ång đá bức x¿ mÁt tråi tãi theo ph°¢ng bÃt kỳ

- Ebng: Bức x¿ mÁt tråi theo ph°¢ng vuông góc vãi nằm ngang

- Ebngh: Bức x¿ mÁt tråi theo ph°¢ng vuông góc vãi mÁt phẳng nghiêng

- Góc tãi ¸: Góc giÿa tia bức x¿ truyền tãi bề mÁt và pháp tuyÃn bề mÁt đó

- Góc thiên đßnh ¸z: Góc giứa ph°¢ng thẳng đứng (thiên đßnh) và tia bức x¿ tãi Trong tr°ång hāp bề mÁt nằm ngang thì góc thiên đßnh là góc tãi

C°ång đá bức x¿ tãi mÁt đÃt là hàm của thåi gian Ç, tính từ lúc mÁt tråi mãc Ç =0 đÃn khi mÁt tråi lÁn Ç = Çn /2 vãi Çn = 24h = 24.3600s nh° sau:

ā(�㔏) = āĀąÿĀ�㔑(�㔏) (1.22)

Vãi: Ç(Ç) = ω Ç: là góc nghiêng tia nÅng so vãi mÁt đÃt

ω: là tác đá xoay của trái đÃt

1.2.3 Ành h°ång căa v¿t liáu đ¿n hiáu suÃt pin nng l°ÿng m¿t trãi

C¢ chà biÃn nng l°āng mÁt tråi thành dòng điãn thÃt ra là mát c¢ chà đ¢n giÁn Nó qua mát tiÃn trình nh° sau: (1) điãn tử bá quang tử "đánh bÃt" ra khßi "nhà" của mình (m¿ng vÃt liãu) đß l¿i mát lß tráng (+); (2) vì điãn tử có điãn tích âm (-) và lß tráng mang điãn d°¢ng (+) nên cÁp âm d°¢ng (+)(-), hay là lß tráng - điãn tử (exciton) (Hình 1 và 2), không cháu råi nhau do lāc hút t*nh điãn và (3) cÁp (+)(-) phÁi đ°āc tách råi đß điãn tử hoàn toàn

tā do đi l¿i cho ra dòng điãn ThiÃu mát trong ba quá trình nTrong tr°ång hāp silicon và các chÃt bán dÁn vô c¢ khác, nh° đã đề cÃp bên trên vùng chuyßn tiÃp (junction) giÿa p-silicon và nsilicon là n¢i phân ly cÁp (+) (-) Cũng nh° trong các áp dăng đèn phát quang, sā đổi màu điãn hãc và các ứng dăng quang hãc và quang điãn

tử đều liên hã đÃn khe dÁi nng l°āng, vÃt liãu hÿu c¢ đ°āc đÁc biãt chú trãng nhå vào các ph°¢ng pháp tổng hāp đ¢n giÁn, gia công dá dàng, t¿o đ°āc phim mßng và có thß thiÃt kÃ

đß có nhÿng trá sá khe dÁi khác nhau Nhÿng lāi đißm nđiều kiãn cho sÁn xuÃt quy mô lãn Trong pin mÁt tråi dùng vÃt liãu hÿu c¢, nguyên tÅc chính là sā di chuyßn điãn tử từ mát polymer/phân tử cho điãn tử (electron donor) đÃn mát

polymer/phân tử nhÃn điãn tử (electron acceptor) Sā di chuyßn của điãn tử sÁ t¿o thành dòng điãn Chuyãn nghe đ¢n giÁn nh°ng làm không đ¢n giÁn! Lý do chính là làm sao đß điãn tử có thß di đáng thoÁi mái đß t¿o dòng điãn và không còn "quyÃn luyÃn" vãi các lß tráng (+) lúc nào cũng chÃp chån chå đāi sā tái kÃt hāp

Mát trong nhÿng pin mÁt tråi hÿu c¢ là pin mÁt tråi polymer - fullerene (thí dă: quÁ bóng đá C60) [6] Polymer là các polymer mang nái liên hāp (viÃt tÅt: polymer liên hāp) (-

C = C - C = C -) nh° polyacetylene (PA), polypyrrole (PPy), polyaniline (PAn), polythiophene (PT), poly (phenylene vinylene) (PPV) v.v và các polymer dÁn xuÃt Cũng nên nhÅc l¿i là polymer liên hāp khi kÃt hāp vãi dopant sÁ trç thành polymer dÁn điãn Điãn

tử (e) trong nái liên hāp mát lho¿t bên ngoài, chẳng h¿n nh° quang tử của ánh sáng mÁt tråi, polymer mang nái liên hāp

"phóng thích" các điãn tử và đß l¿i nhiều lß tráng (+) trên m¿ch polymer Vì vÃy, polymer liên hāp đ°āc gãi là vÃt liãu lo¿i p (p-type, p =positive = d°¢ng) Ng°āc l¿i, fullerene là vÃt liãu nhÃn điãn tử rÃt hiãu quÁ; sau khi nhÃn điãn tử fullerene mang điãn tích âm nên đ°āc gãi là vÃt liãu lo¿i n (n-type, n = negative = âm) (Hình 4) Trong silicon ta cũng có p-silicon và n-silicon

Hình 1 19. Quang t ử trong ánh sáng mặt trßi đánh b¿t điện tử ra khỏi mạch polymer c ủa poly (3 - hexylthiophene) (P3HT) và được nh¿n bái [6,6]-PCBM C60 (một

ch ất dẫn xuất của C60)

Kách bÁn chuyßn hoán nng l°āng mÁt tråi thành dòng điãn trong các vÃt liãu hÿu c¢ cũng t°¢ng tā nh° silicon Nhÿng quang tử sÁ đánh bÃt điãn tử ra khßi m¿ng của vÃt liãu p t¿o ra cÁp âm d°¢ng (+) (-) (cÁp điãn tử - lß tráng) Nhÿng cÁp ntrong vÃt liãu và chß có nhÿng cÁp ç g

cuác phân ly "chia loan rÁ thúy"! Sau khi chia lìa điãn tử sÁ di đáng trong vÃt liãu n tiÃn đÃn cāc d°¢ng và lß tráng (+) di đáng trong vÃt liãu p tiÃn đÃn cāc âm (Hình 1.20a) Dòng điãn xuÃt hiãn

Nh° vÃy, đß gia tng hiãu suÃt chuyßn hoán, diãn tích của mÁt (tiÃp xúc) chuyßn tiÃp giÿa hai vÃt liãu p và n chai vÃt liãu khác nhau nên đ°āc gãi là mÁt chuyßn tiÃp dá chÃt (hetero-junction) Đái vãi các vÃt liãu hÿu c¢ viãc cāc đ¿i hóa chß cvÃt liãu nđiãn cāc không bá ùn tÅt giÿa đ°ång, mô d¿ng (morphology) composite cvân liên tăc của vÃt liãu p và n đan xen vào nhau (interpenetrating) và tiÃp nái đÃn điãn cāc

đß điãn tử và lß tráng (+) đi đÃn n¢i đÃn chán (Hình 1.20b) Ngoài ra, vÃt liãu phÁi nguyên chÃt (silicon có đá nguyên chÃt cao h¢n 99.99 %) bçi vì chÃt t¿p trç thành rào cÁn chÃn đứng sā di đáng của điãn tử và lß tráng (+) Đây là nhÿng đòi hßi nhiều thử thách trong pin mÁt tråi hÿu c¢

a b

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

ti ếp giữa v¿t liệu p và n

Hình 1 21b. Điện tử (e-) đi theo đưßng vân v¿t liệu n tiến đến cực dương, và lỗ

tr ống (h+) theo đưßng vân v¿t liệu p tiến đến cực âm Dòng điện xuất hiện

1.3 K ¿t lu¿n

Pin mÁt tråi là mát nguãn điãn ch¿y bằng nng l°āng ánh sáng Nó biÃn trāc tiÃp quang nng thành điãn nng Các pin quang điãn th°ång đ°āc làm bằng Si, Se, Ge, Te, CdS, GaAs Các tÃm pin mÁt tråi có cÃu t¿o t°¢ng đái phức t¿p Ngoài vÃn đề giá thành còn phÁi kß đÃn vÃn đề hiãu suÃt của pin nng l°āng mÁt tråi Hiãn nay, hiãu suÃt của pin nng l°āng mÁt tråi vÁn còn t°¢ng đái nhß do Ánh h°çng bçi nhiều yÃu tá nh°: nhiãt đá, bức x¿ mÁt tråi…từ đó khiÃn cho pin mÁt tråi vÁn ch°a đ°āc khai thác hÃt tiềm nng

CH¯¡NG 2: PHÂN TÍCH CÁC THÔNG Sà ÀNH H¯æNG TâI HIâU

SUÂT TÂM PIN NNG L¯ĀNG MÀT TRäI

2.1 Phân tích Ánh h°ång căa nhiát đß đ¿n hiáu suÃt tÃm pin nng l°ÿng m¿t trãi

Mát pin mÁt tråi trong bóng tái có thß coi nh° là hai điát Ta trình bày trong hình 2a

và 2b, các đÁc tính I-V thu đ°āc bằng thāc nghiãm trên môđun đ°āc thử nghiãm của Ta ç hai nhiãt đá 50°C (hình 2.1a) và 100°C (hình 2.1b) đóng vai trò là tác đáng nhiãt Nm đ°ång cong đ°āc thß hiãn trên mßi con sá L(t = 0) và các lđÁc đißm đ°āc đ°a ra trên quy mô bán logarith Ta đã quan sát nhÿng thay đổi đáng kß khác nhau giÿa các đÁc tính thu đ°āc ç mát nhiãt đá nhÃt đánh và giÿa đ°ång đÁc tính ç hai nhiãt đá khác nhau

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

b ảy theo thang đo logarith: a à nhiệt độ 50oC, b à nhiệt độ 100oC

Xem xét so sánh đ100°C (hình 2.1b), quan sát trong cÁ hai hình, trong các đÁc đißm I-V, hai khu vāc chính

mà Ta có thß liên kÃt vãi nhÿng thay đổi đáng kß trong các c¢ chà dÁn Vwng đtrong ph¿m vi điãn áp rÃt nhß từ 0,1-2V t°¢ng ứng vãi VOC của môđun nh° đ°āc đ°a ra bçi nhà sÁn xuÃt Vùng thứ hai là vùng kéo dài từ khoÁng 2V đÃn điãn áp đo tái đa là 6V Hai vùng này có thß đ°āc giÁi thích bằng sā rò rß dòng khuÃch tán trong môđun, đó là kÃt quÁ của sā thay đổi tác đá tái hāp điãn tích ç các bề mÁt chÃt bán dÁn Điều quan trãng cl°u ý là mô hình trong các kÃt quÁ hiãu ứng nhiãt đá d°ång nh° t°¢ng tā vãi kÃt quÁ đ¿t đ°āc bằng các kÃt quÁ dòng ng°āc tr°ãc đó

Bây giå, xem xét so sánh thứ hai của các kÃt quÁ thí nghiãm nh° đ°āc đề xuÃt ç trên