PIN QUANG ĐIỆN

Silicon, cũng như các vật liệu bán dẫn tế bào năng lượng mặt trời khác, có thể biết đến trong các hình thức khác nhau: đơn tinh thể, multicrystalline đa tinh thể, hoặc vô định hình.. Loạ

Trang 1

Chương 4: Quang điện (pin mặt trời)

Trang 2

Giới thiệu

Lịch sử của pin quang điện trở lại đến năm 1839, khi Becquere phát hiện ra hiệu ứng quang điện, nhưng không có công nghệ đã có sẵn trong thế kỷ 19

để khai thác khám phá Tuổi bán dẫn chỉ bắt đầu khoảng 100 năm sau đó

Sau khi Shockley đã phát triển một mô hình cho pn đường giao nhau, Bell Laboratories sản xuất các tế bào mặt trời đầu tiên năm 1954, hiệu quả,

chuyển đổi ánh sang thành điện, là khoảng 5%.

Quang điện cung cấp tính linh hoạt cao nhất trong số công nghệ năng lượng tái tạo.

Về mặt lý thuyết, hệ thống PV có thể bao gồm toàn bộ nhu cầu điện của

hầu hết các nước trên thế giới.

Trang 3

Giới thiệu

Trên thế giới, công suất lắp đặt quang điện và chia sẻ của điện tạo ra bởi PV vẫn còn thấp, mặc dù ấn tượng trên thị trường tăng trưởng Môi trường chính trị và tầm quan trọng của các chương trình giới thiệu thị trường xác định tương lai của công nghệ này.

Trang 4

Tế bào quang điện chủ yếu là chuyển đổi cho các photon điện của

ánh sáng nhìn thấy được, tia cực tím và hồng ngoại, do đó, nội bộ

Trang 5

Hiệu ứng hình ảnh

- Vùng đầy đủ chiếm cao nhất được gọi là vùng hóa trị

- Vùng cao nhất tiếp theo, mà có thể là một phần chiếm đóng hoặc hoàn toàn trống rỗng, được gọi là vùng dẫn

- Không gian giữa VB và CB được gọi là vùng cấm

- Khoảng cách năng lượng giữa các vùng được gọi là vùng khoảng cách

Trang 6

Quang điện (PV) các tế bào được làm bằng

vật liệu đặc biệt được gọi là chất bán

dẫn như silicon, hiện đang được sử dụng

phổ biến nhất.

Về cơ bản, khi có ánh sáng chiếu vào

các tế bào, một số phần của nó được hấp

thụ trong vật liệu bán dẫn Điều này có

nghĩa là năng lượng hấp thụ ánh sáng

được chuyển giao cho bán dẫn Năng

lượng electron lỏng lẻo, cho phép nó

chạy tự do.

Trang 7

Mỗi tế bào PV có ít nhất một điện trường Nếu không có một điện trường, các tế bào sẽ không hoạt động, và vùng này tạo khi silicon loại N và loại P liên lạc.

Tại vùng giao nhau, các electron và lỗ trống kết hợp với nhau tạo thành một rào cản, đạt tới cân bằng, và điện trường tách hai bên được hình thành

Hoạt động của điện trường nay như là một diode.

Trang 8

Khi ánh sáng, dưới dạng photon, chạm tế bào năng lượng mặt trời, năng lượng giải phóng cặp electron - lỗ trống Mỗi photon có đủ năng lượng sẽ giải phóng một điện tử, và kết quả một lỗ trống cũng được giải phóng Nếu điều này xảy ra gần đủ với điện trường, hoặc nếu electron tự do và lỗ trống xảy ra thì nó sẽ di chuyển

trong phạm vi ảnh hưởng của nó, từ trường sẽ gửi điện tử đến phía bên N và lỗ

trống đến phía bên P Điều này làm gián đoạn điện trung lập, và nếu chúng tôi cung cấp một dòng bên ngoài đường dẫn, các electron sẽ chạy qua đường dẫn bên ban đầu của nó (loại P) để gắn kết với các lỗ trống điện trường gửi ở đó, làm công việc cho chúng ta trên đường đi Những electron cung cấp dòng điện, và điện trường của tế bào gây ra một điện áp.

Trang 9

Nguyên tắc của pin mặt trời

Không phải tất cả năng lượng của các photon có bước sóng gần vùng cấm được biến đổi thành điện Bề mặt tế bào năng lượng mặt trời phản ánh một phần của ánh sáng tới, và một số là lan truyền qua các tế bào năng lượng mặt trời Hơn nữa, các electron có thể kết hợp lại với lỗ trống.

Các phản ứng quang phổ được cho bởi:

Trang 10

Nguyên tắc của pin mặt trời

Trang 11

Vật liệu pin mặt trời

Các tế bào năng lượng mặt trời có thể được làm từ các vật liệu bán dẫn

Đó là:

Silicon (Si) bao gồm cả Si đơn tinh thể, Si đa tinh thể,

và Si vô định hình

Poly tinh thể màng mỏng, bao gồm cả đồng mỏng indium diselenide

(CIS), cadmium telluride (CdTe), và màng mỏng silicon

Màng mỏng đơn tinh thể, bao gồm cả vật liệu hiệu quả cao

chẳng hạn như gallium arsenide (GaAs)

Trang 12

Tinh thể của vật liệu cho thấy sự hoàn hảo của các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể Silicon, cũng như các vật liệu bán dẫn tế bào năng lượng mặt trời khác, có thể biết đến trong các hình thức khác nhau: đơn tinh thể, multicrystalline đa tinh thể, hoặc vô định hình Trong một vật liệu đơn tinh thể, các nguyên tử tạo thành khung để tinh thể lặp đi lặp lại một cách thường xuyên, có trật tự từ lớp này đến lớp kia Ngược lại, trong một vật liệu bao gồm nhiều tinh thể nhỏ hơn, sự sắp xếp có trật tự bị phá vỡ từ một trong những tinh thể khác một kế hoạch phân loại silicon sử dụng kích thước tinh thể gần đúng và cũng bao gồm các phương pháp thường được sử dụng để phát triển hoặc gửi vật liệu đó.

Trang 13

Loại Silicon Tên viết tắt Kích cỡ Phương pháp lắng đọng

Silicon đơn tinh thể sc-Si >10cm Czochralski, float zone

Silicon đa tinh thể mc-Si 1mm-10cm Cast, sheet, ribbon

Poly tinh thể silicon pc-Si 1mm-10mm Chemical-vapor deposition

Micro tinh thể silicon mc-Si <1mm Plasma deposition

Trang 14

Hấp thụ

Hệ số hấp thụ của vật liệu cho thấy ánh sáng có bước sóng cụ thể

(hoặc năng lượng) có thể xuyên qua các vật liệu trước khi bị hấp thụ

Một hệ số hấp thụ nhỏ có nghĩa là ánh sáng được hấp thụ dễ dàng

bằng vật liệu Một lần nữa, hệ số hấp thụ của một tế bào năng lượng

mặt trời phụ thuộc vào hai yếu tố: vật liệu làm các tế bào, và các bước sóng hoặc năng lượng của ánh sáng được hấp thụ Ánh sáng có năng

lượng là dưới dạng vật chất vùng cấm không thể giải phóng một

electron Và như vậy, nó không phải là hấp thụ.

Trang 15

Band gap (vùng cấm)

Vùng cấm của một vật liệu bán dẫn là một lượng năng lượng Cụ thể, đó là nănglượng tối thiểu cần thiết để di chuyển một electron từ trạng thái bị ràng buộc trong một nguyên tử để trở thành nhóm tự do Nhóm điện tử tự do nay có thể được tham gia trong dẫn Mức năng lượng thấp của một chất bán dẫn được gọi

là "vùng hóa trị." và mức năng lượng cao hơn, nơi một electron tự do di chuyển được gọi là "vùng dẫn" Vùng cấm là sự khác biệt năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị

Trang 16

Trang 17

Loại pin mặt trời (Silicon)

Silicon đơn tinh th ể

Để tạo silicon trong một nhóm đơn tinh thể, chúng ta phải làm tan chảy cao

độ tinh khiết silicon Nó được sửa đổi hoặc đông lại rất chậm trong va chạm với một đơn tinh thể "hạt giống" Silicon thích ứng với mô hình của các hạt giống đơn tinh thể khi nó nguội đi và dần dần củng cố Không có gì đáng ngạc nhiên, bởi vì chúng ta bắt đầu từ một hạt giống, chúng tôi nói rằng điều này là quá trình

"phát triển" một thanh mới (thường được gọi là một "Boule") của silicon đơn tinh thể nóng chảy

Một số quy trình khác nhau có thể được sử dụng để phát triển một “Boule” đơntinh thể silicon Các quá trình hình thành và đáng tin cậy nhất là phương pháp Czochralski (Cz) và kỹ thuật float-zone (FZ) Chúng tôi cũng thảo luận về

"ribbon tăng trưởng" kỹ thuật

Trang 18

Silicon đơn tinh thể

Các kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất cho

Silicon đơn tinh thể là quá trình Czochralski,

trong đó một hạt giống của silicon đơn tinh thể ở

vị trí đầu nóng chảy silicon Khi hạt giống được từ

từ nâng lên, nguyên tử silicon nóng chảy củng cố

mô hình của hạt giống và mở rộng các đơn tinh

thể cấu trúc

Trang 19

Silicon đa tinh thể

Silicon đa tinh thể là nguyên liệu bằng silicon thường ít

hiệu quả hơn so với những đơn tinh thể silicon, nhưng nó có

thể sản xuất ít tốn kém hơn Silicon đa tinh thể có thể được sản

xuất trong nhiều cách khác nhau Phổ biến nhất là phương pháp

liên quan đến một quá trình đúc, trong đó silicon nóng chảy

trực tiếp đúc vào một khuôn và cho phép đông đặc thành một

phôi Nguyên liệu ban đầu có thể là một silicon tinh chế cấp

thấp hơn, đúng hơn là cao cấp lớp bán dẫn cần thiết cho các vật

liệu đơn tinh thể

Tốc độ làm mát là một trong những yếu tố quyết định cuối

cùng kích thước của các tinh thể trong phôi và phân phối

tạp chất Loại nấm này thường là hình vuông, sản xuất một

phôi có thể được cắt và cắt thành ô vuông phù hợp gọn trong một module PV

Trang 20

Silicon vô định hình

Chất rắn vô định hình, như thủy tinh thông thường, là vật liệu có nguyên tửkhông được bố trí trong bất kỳ thứ tự cụ thể Nó không hình thành cấu trúctinh thể ở tất cả, và chúng chứa một số lượng lớn khiếm khuyết về cấu trúc

và liên kết Nhưng nó có một số tính kinh tế ưu điểm so với các vật liệu

khác mà làm cho chúng hấp dẫn để sử dụng điện năng lượng mặt trời, hoặcquang điện (PV), các hệ thống Hôm nay, silicon vô định hình là phổ biến trong các thiết bị tiêu dùng năng lượng mặt trời có yêu cầu điện năng thấp, chẳng hạn như đồng hồ đeo tay và máy tính

Trang 21

Silicon vô định hình

Silicon vô định hình hấp thụ bức xạ mặt trời 40 lần hiệu quả hơn silicon đơn tinh thể, do đó, một phim chỉ có khoảng 1 micromet hoặc một phần triệu của một mét dày có thể hấp thụ 90% năng lượng ánh sáng chiếu vào nó Đây là một trong những lý do silicon vô định hình có thể giảm chi phí quang điện Lợi thế kinh tế khác là nó có thể được sản xuất ở nhiệt độ thấp hơn và có thể được lắng đọng trên chi phí thấp, ví dụ như: nhựa, thủy tinh và kim loại Điều này làm cho silicon vô định hình có lý tưởng cho việc xây dựng các sản phẩm tích hợp PV như một trong những thể hiện trên các hình ảnh Và những đặc điểm này làm cho silicon vô định hình màng mỏng là vật chất hàng đầu PV

Trang 22

Loại pin mặt trời (Đa tinh thể màng mỏng)

Một trong những khám phá khoa học của ngành công nghiệp máy tính bán dẫn cũng

có tiềm năng rất lớn trong ngành công nghiệp quang điện (PV): công nghệ màng mỏng Những "phim mỏng" xuất phát từ phương pháp được sử dụng để

gửi những phim, không phải từ độ mỏng của phim: tế bào phim mỏng

gửi vào rất mỏng, lớp liên tiếp của các nguyên tử, phân tử, hoặc ion

Các tế bào “thin-film” (phim mỏng) có nhiều lợi thế hơn “thick-film” (phim dày)

Ví dụ, họ sử dụng ít vật liệu, khu vực hoạt động của tế bào này thường dày chỉ 1 đến

10 micromet, trong khi phim dày thường là dày 100 đến 300 micromet Ngoài ra, phim mỏng thường có thể được sản xuất trong một quá trình lớn, có thể

là một tự động hóa, quá trình sản xuất liên tục Cuối cùng, họ có thể

gửi trên các vật liệu chất nền linh hoạt

Trang 23

Lắng động Thin-Film (màng mỏng)

Một số kĩ thuật lắng khác nhau có thể được sử dụng, và tất cả có khả năng

ít tốn kém hơn so với tốc độ tăng trưởng phôi kỹ thuật cần thiết cho tinh

thể silicon

Chúng ta có thể phân loại kỹ thuật lắng đọng vào lắng đọng hơi vật lý,

lắng đọng hóa hơi, lắng đọng điện hóa, hoặc kết hợp, và cũng giống như

silicon vô định hình, các lớp có thể được gửi trên nhiều chất nền có chi

phí thấp như thủy tinh, thép không gỉ, hoặc nhựa trong hầu như bất kỳ

hình dạng

Trang 24

Lắng động Thin-Film

Ngoài ra, các quá trình lắng đọng có thể được mở rộng một cách dễ dàng,

điều đó có nghĩa rằng các kỹ thuật tương tự được sử dụng để thực hiện một 2-inch x 2-inch tế bào trong phòng thí nghiệm có thể được sử dụng để thực hiện một 2-foot x 5-foot PV Thin-film không giống như các tế bào silicon đơn tinh thể, mà cần phải có tinh thể kết nối với nhau thành một mô-đun

Ngược lại, Thin-film là thiết bị có thể được thực hiện như một đơn vị đó là, monolithically với lớp từng lớp được gửi tuần tự trên một số chất nền, bao gồm lắng đọng một lớp phủ chống phản xạ và oxit dẩn trong suốt

Trang 25

Cấu trúc tế bào Thin-Film

Không giống như hầu hết các tế bào đơn tinh thể, một thiết bị màng mỏng điển hình không có một kim loại lưới điện cho các tiếp xúc điện Thay vào

đó, nó sử dụng một lớp mỏng oxit dẩn trong suốt, chẳng hạn như oxit thiếc Những oxit được đánh giá cao độ trong suốt và dẩn điện rất tốt Một lớp phủ chống phản xạ riêng biệt có thể ở đầu trang thiết bị, trừ khi các oxit dẩn

trong suốt phục vụ chức năng đó Đa tinh thể màng mỏng được làm bằng nhiều hạt tinh thể nhỏ của vật liệu bán dẫn Các vật liệu được sử dụng trong các tế bào đa tinh thể màng mỏng có các thuộc tính khác nhau của silicon

Vì vậy, có vẻ như để làm việc tốt hơn để tạo ra điện trường với một mặt tiếp xúc giữa hai vật liệu bán dẫn khác nhau Kiểu mặt tiếp xúc này được gọi là một heterojunction (chuyển tiếp dị thể) ("hetero" bởi vì nó được hình thành

từ hai vật liệu khác nhau, so sánh với "homojunction" được hình thành bởi hai “pha tạp” lớp chất liệu tương tự, chẳng hạn như một trong các tế bào năng lượng mặt trời silicon.

Trang 26

Cấu trúc tế bào Thin-Film

Đa tinh thể màng mỏng điển hình có một lớp rất

mỏng (ít hơn 0,1 micron) trên đầu được gọi là

"cửa sổ" lớp Vai trò của lớp cửa sổ là hấp thụ

năng lượng ánh sáng Nó phải đủ mỏng và có

một vùng cấm đủ rộng (2,8 eV hoặc nhiều hơn)

để cho tất cả ánh sáng có sẵn đi qua các mặt

tiếp xúc (heterojunction) đến lớp hấp thụ Lớp

hấp thụ dưới cửa sổ, thường là pha tạp loại p,

phải có một khả năng hấp thụ cao (khả năng

hấp thụ các photon) cho dòng điện cao và vùng

cấm phù hợp để cung cấp một điện áp tốt Tuy

nhiên, nó thường dày chỉ 1 đến 2 micron.

Trang 27

Copper Indium Diselenide (CIS)

Đồng indium diselenide (CuInSe2 hoặc "CIS") có hấp thụ rất cao, điều đó có nghĩa là 99% của ánh sáng tỏa ra trên CIS sẽ được hấp thụ trong micromet đầu tiên của vật liệu Các vật liệu phổ biến nhất cho lớp trên cùng hoặc trong cửa sổ thiết bị CIS là cadmium sulfide (CdS), mặc dù kẽm đôi khi được thêm vào để cải thiện độ trong suốt Thêm một lượng nhỏ của gallium lớp CIS giảm hấp thụ tăng vùng cấm lên 1,0 electron-volt (eV), cải thiện điện áp và hiệu quả của thiết bị

Trang 28

Cadmium Telluride (CdTe)

Cadmium telluride là một vật liệu đa tinh thể màng mỏng nổi bật Với một vùng cấm gần như lý tưởng 1,44 eV, CdTe cũng có một hệ số hấp thụ rất cao Giống như CIS, phim của CdTe có thể được sản xuất bằng cách sử dụng chi phí thấp Cũng như CIS, các tế bào CdTe tốt nhất sử dụng một mặt tiếp xúc heterojunction, với cadmium sulfide (CdS) hoạt động như là một lớp cửa sổ mỏng Oxit thiếc được sử dụng như một oxit dẩn trong suốt và lớp phủ chống phản xạ Một vấn đề với CdTe là loại p CdTe phim có xu hướng đánh giá cao điện trở điện, dẫn đến thiệt hại

điện kháng nội bộ lớn Giải pháp là cho phép lớp CdTe nội tại (nghĩa là, không loại p cũng không phải loại n, nhưng tự nhiên), và thêm một lớp loại p kẽm telluride (ZnTe) giữa CdTe và tiếp xúc điện Khi nói đến việc tạo ra tế bào CdTe, một loạt các phương pháp có thể, bao gồm cả closed-

Trang 29

Silicon màng mỏng

"Silicon màng mỏng" thường dùng để chỉ silicon dựa trên các thiết bị PV khác hơn so với các tế bào silicon vô định hình và các tế bào silicon đơn tinh thể (nơi mà các lớp silicon dày hơn 200 micromet) Những phim có hệ số hấpthụ ánh sáng cao và cần tế bào có độ dày chỉ một vài micromet hoặc ít hơn Silicon tinh thể nano và silicon đa tinh thể hạt nhỏ được coi là silicon màng mỏng có thể thay thế các hợp kim silicon vô định hình như các tế bào dưới cùng trong thiết bị multi-junction (đa ngã ba) Với những màng mỏng khác, lợi thế bao gồm các khoản tiết kiệm vật liệu, thiết kế thiết bị nguyên khối, sử dụng chất nền không tốn kém, và các quá trình sản xuất là nhiệt độ thấp và trên diện rộng có thể có

Trang 30

Loại pin mặt trời (Đơn tinh thể màng mỏng)

Gallium arsenide (GaAs) là một hợp chất bán dẫn: một hỗn hợp của hai yếu tố,

gallium và asen Gali là hiếm hơn vàng Asen không phải là hiếm, nhưng nó độc hại.GaAs đặc biệt thích hợp cho việc sử dụng các tế bào năng lượng mặt trời ở multi-junction (đa ngã ba) và hiệu quả cao, vì nhiều lý do:

Vùng cấm GaAs là 1,43 eV, gần như lý tưởng cho các tế bào năng lượng mặt trời ở một ngã ba GaAs có một hấp thụ cao như vậy nó đòi hỏi một tế bào dày chỉ một vài micron để hấp thụ ánh sáng mặt trời Không giống như các tế bào silicon, GaAs tế bào này tương đối không nhạy cảm với nhiệt độ Nhiệt độ thường có thể là khá cao, đặc biệt là trong các ứng dụng tập trung GaAs cho phép linh hoạt tuyệt vời trong pin

di động GaAs là có khả năng chịu thiệt hại bức xạ Điều này, cùng với hiệu quả sử dụng cao, GaAs mong muốn cho các ứng dụng không gian

Trang 31

Loại pin mặt trời (Đơn tinh thể màng mỏng)

Pin mặt trời GaAs

Một trong những lợi thế lớn nhất của gallium arsenide và các hợp kim của nó làm vật liệu tế bào PV là nó tuân theo một loạt các thiết kế Một tế bào với một

cơ sở GaAs có thể có một số lớp của các thành phần hơi khác nhau, điều này cho phép một nhà thiết kế pin để kiểm soát chính xác các thế hệ và bộ sưu tập các electron và lỗ trống Mức độ kiểm soát này cho phép thiết kế pin để thúc đẩyhiệu quả gần hơn và gần hơn đến lý thuyết

Rào cản lớn nhất cho sự thành công của các tế bào GaAs là chi phí cao cho một chất nền tinh thể GaAs Vì lý do này, các tế bào GaAs được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống tập trung, trong đó một tế bào tập trung điển hình với kích thước chỉ khoảng 0,25 cm2 trong khu vực, nhưng có thể sản xuất năng lượng phong phú ở nồng độ cao

Trang 32

Hiệu quả pin mặt trời

Hai phím yếu tố quyết định hiệu quả pin mặt trời:

Hiệu quả tối đa được xác định bởi vật chất vùng cấm: vùng cấm cao có điện áp cao và dòng điện thấp

Thực tế hiệu quả phụ thuộc vào công nghệ và chi phí của các phương pháp chế tạo, với quy trình chi phí cao cho hiệu quả cao hơn

Trang 33

Loại pin mặt trời

Trang 34

Loại pin mặt trời

Trang 35

Công nghệ pin mặt trời

Chiếm ưu thế về công nghệ silicon, do sự phong phú của nó, dễ chế tạo và sử dụng bởi các ngành công nghiệp vi mạch tích hợp (IC)

Hai vật liệu silicon chi phối được sử dụng: đơn tinh thể (chi phí cao hơn, hiệu quả cao hơn) và đa tinh thể (hiệu quả thấp hơn, chi phí thấp hơn)

Trang 36

Công nghệ sản xuất xác định một loại vật liệu có thể đạt hiệu quả lý thuyết

Công nghệ chế tạo phát triển cho các thiết bị điện tử khác (IC, thiết bị quang học) cho hiệu quả cao, nhưng chi phí cao do chi phí dựa trên khu vực cao

IC công nghệ xử lý cho 24,7%

Trang 37

IC kỹ thuật xử lý thường quá đắt do tính chất hàng loạt, chi phí vốn cao và tính chất tốn thời gian

Các pin năng lượng mặt trời thương mại sử dụng công nghệ giảm chi phí, đặc biệt là

về việc làm thế nào để có được các đường dây kim loại mỏng, hẹp

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	8,47 MB