Các thế hệ pin mặt trời

Là một trong những loại điện năng khai thác từ tự nhiên, điện mặt trời không chỉ được coi là bền vững và thân thiện với môi trường mà còn rất dồi dào nếu biết khai thác đúng hướng. Khi nói tới nguồn điện năng và các kỹ thuật có liên quan, cần phải nhắc tới các thế hệ pin mặt trời hiện đang được các quốc gia và các hãng khai thác quan tâm mà tác giả đề cập trong bài viết này.

khoa học đời sống Khoa học đời sống Các hệ pin mặt trời Nguyễn Xuân Chánh Ư Là loại điện khai thác từ tự nhiên, điện mặt trời không coi bền vững thân thiện với mơi trường mà dồi biết khai thác hướng Khi nói tới nguồn điện kỹ thuật có liên quan, cần phải nhắc tới hệ pin mặt trời quốc gia hãng khai thác quan tâm mà tác giả đề cập viết ớc tính hàng năm trái đất nhận từ mặt trời lượng xạ tổng cộng 49837 EJ (1EJ= 1018J) - lớn nhiều lần lượng tiêu thụ hàng năm người trái đất Nếu tính m2 diện tích mặt đất, giây lượng xạ mặt trời chiếu đến 164 J, biến đổi điện có điện với cơng suất 164 W (1W=1J/s) - đủ thắp sáng 16 đèn LED, đèn LED có cơng suất 10 W Hiện nay, có cách để tạo điện mặt trời Cách thứ dùng hiệu ứng quang điện làm pin mặt trời, có ánh sáng mặt trời có dòng điện Tuy nhiên, sử dụng pin mặt trời để cung cấp điện cho sinh hoạt, làm nhà máy pin mặt trời nhiều điều phải tính tốn, cải tiến kỹ thuật Cách thứ hai tập trung ánh sáng mặt trời chỗ để làm nóng chất lỏng khí dùng nhiệt thu để làm quay máy phát điện Cách phức tạp, cồng kềnh thích hợp cho việc làm nhà máy phát điện mặt trời cỡ lớn hàng chục megawatt Trong viết, tìm hiểu pin mặt trời hệ pin mặt trời để hiểu rõ nguồn điện Tạo dòng điện nhờ pin mặt trời cách phát điện dùng hiệu ứng quang điện Hiệu ứng phát minh Einstein (cơng trình đưa ơng đến với Giải thưởng Nobel năm 1905) Tuy nhiên, cuối năm 40 kỷ XX, vật lý bán dẫn phát triển làm sở cho Hãng Bell (Hoa Kỳ) chế tạo pin quang điện vào năm 1954 Pin quang điện dùng để tạo dòng điện từ ánh sáng mặt trời nên có tên gọi pin mặt trời Nguyên lý hoạt động pin mặt trời từ bán dẫn silic tạo bán dẫn loại p 48 Số năm 2019 bán dẫn loại n, ghép lại với tạo tiếp xúc p-n, nối mạch điện hình Hình Pin mặt trời làm việc nào: 1- Khi chiếu ánh sáng mặt trời vào tiếp xúc p-n, photon bắn vào bề mặt tiếp xúc; 2- Photon mang theo lượng qua lớp tiếp xúc từ xuống; 3- Khi tiếp xúc với lớp p, photon truyền lượng cho điện tử lớp này; 4- Điện tử nhận lượng, nhảy qua hàng rào tiếp xúc p-n để lên lớp n chạy theo mạch qua tải, ví dụ bóng đèn để làm sáng bóng đèn Pin mặt trời hệ Hãng Bell chế tạo pin mặt trời từ thỏi silic đơn tinh thể cắt lát mỏng tạo tiếp xúc p-n, làm đường dẫn nối điện theo kỹ thuật vi điện tử ghép lại thành Giá thành loại pin đắt hiệu suất đạt 6%, nghĩa 100 phần lượng photon ánh sáng mặt trời đến, có phần biến thành điện Khoa học đời sống cứng giòn, dán lên có bề mặt thật phẳng Hình Các kiểu pin mặt trời hệ Tuy hiệu suất thấp, giá thành cao pin mặt trời chế tạo từ silic đơn tinh thể Hãng Bell mở đầu cho pin mặt trời hệ Đã có nhiều cải tiến thay silic đơn tinh thể silic đa tinh thể, phủ lớp chống phản xạ để ánh sáng vào tiếp xúc p-n nhiều hiệu suất pin mặt trời giới hạn, khoảng 10-20% Tính tốn lý thuyết suy định luật giới hạn ShockleyQueisser: với tiếp xúc p-n đơn giản hiệu suất pin mặt trời cao 30% Do bán dẫn silic chế tạo từ cát trắng, nguyên liệu dễ kiếm kỹ thuật làm bán dẫn phát triển nên có tới xấp xỉ 97% pin mặt trời hệ Pin mặt trời hệ thường gọi pin mặt trời màng mỏng (thin-film solar cell) hay pin quang điện màng mỏng (thin film photovoltaic), mỏng cỡ 1% pin mặt trời hệ 1, nghĩa vào cỡ vài micromet Phần lớn pin mặt trời hệ làm từ silic silic vơ định hình (khơng phải tinh thể), ngồi làm từ vật liệu khác CdTe (cadimi teluarit) CIGS (đồng indi gali selen) Pin mặt trời hệ cực mỏng, nhẹ, dễ uốn nên dán lên cửa sổ, kính tòa nhà cao, mái ngói loại giá đỡ, kể kim loại, thủy tinh, polyme Tuy có ưu điểm mỏng, nhẹ, dễ uốn, dễ dán vào đâu hiệu suất pin mặt trời hệ không cao, vào cỡ từ 7-12% So sánh pin mặt trời hệ loại cải tiến sau có hiệu suất trung bình vào cỡ 15-20%, cao gần gấp đôi pin mặt trời hệ Pin mặt trời hệ Có ba lớp tiếp xúc p-n khác Mỗi lớp hấp thu photon màu hình Nhờ đó, ba lớp hấp thụ nhiều photon hơn, tạo điện tử nhiều hơn, tăng hiệu suất Pin mặt trời hệ Pin mặt trời hệ có cấu tạo lát mỏng cắt từ thỏi tinh thể silic, lát mỏng dùng lớp mỏng để tạo tiếp xúc p-n Mỗi lát mỏng tinh thể silic dày chừng 200 micromet Hình Các lớp pin mặt trời hệ Các photon đỏ lục xanh chiếu vào pin mặt trời nhiều lớp tiếp xúc Qua lớp tiếp xúc 1, photon xanh bị hấp thụ để làm bật điện tử, lại photon lục đỏ qua lớp tiếp xúc thứ giữa, photon lục bị hấp thụ để làm bật điện tử Photon đỏ lại qua lớp tiếp xúc thứ bị hấp thụ làm bật điện tử Các loại photon bị hấp thụ hết để chuyển thành điện tử, nhờ hiệu suất tăng Hình Pin mặt trời hệ Pin mặt trời hệ loại pin mặt trời chế tạo theo cách mới, vật liệu nhằm đạt hiệu suất cao, vượt khỏi giới hạn Shockley-Queisser Trong pin mặt trời hệ có pin mặt trời hệ phối ghép lại với loại pin để tăng hiệu suất Từ đây, xuất danh từ pin mặt trời nhiều lớp Số năm 2019 49 Khoa học đời sống Cần nhớ lại rằng, pin mặt trời hệ hệ có lớp tiếp xúc làm từ loại bán dẫn, ví dụ silic Cơ việc tạo điện photon tới có lượng lớn lượng khe cấm làm cho điện tử bán dẫn nhảy khỏi lớp bán dẫn p để vào bán dẫn n tạo dòng điện Khe cấm silic 1,1 eV, tương ứng với lượng photon ánh sáng đỏ Như là, photon ánh sáng xanh chẳng hạn có lượng lớn 1,1 eV, lượng dôi mát bán dẫn Phổ ánh sáng mặt trời rộng, từ ánh sáng hồng ngoại đến ánh sáng nhìn thấy (từ đỏ đến tím) ánh sáng tử ngoại Nếu dùng lớp tiếp xúc p-n silic, có lượng vùng cấm 1,1 eV, photon màu đỏ không đủ để bật điện tử ra, photon màu đỏ làm bật điện tử lại dư thừa lượng, phần dư thừa Vì lẽ đó, dùng lớp tiếp xúc p-n bán dẫn silic, hiệu suất tối đa pin mặt trời vượt 33,7% Tháng 9/2013, người ta chế tạo thí điểm pin mặt trời lớp, hiệu suất 44,7% Trong số trường hợp, mục tiêu đặt tăng cao hiệu suất Nếu pin mặt trời nhiều lớp có hiệu suất gấp đôi pin mặt trời lớp thông thường giá thành lại gấp tới 3, lần lựa chọn người tiêu dùng mua pin mặt trời hiệu suất thấp thay cho pin mặt trời hiệu suất cao Vì thế, hệ pin mặt trời song song cạnh tranh tìm cách nâng cao hiệu suất, hạ giá thành Thuộc pin mặt trời hệ có nhiều cơng nghệ khác cơng nghệ làm pin mặt trời không bán dẫn (dùng polyme vật liệu sinh học), dùng chấm lượng tử, công nghệ nano… Một loại pin mặt trời có nhiều triển vọng dự đốn phát triển lấn át cơng nghệ pin mặt trời có pin mặt trời perovskite Perovskite tên loại quặng gồm canxi, titan oxy nhà địa chất người Nga Lev Perovski tìm thấy dãy núi Ural vào năm 1839 Quặng dạng tinh thể có cấu trúc lập phương, sau có tên Perovskite (hình 5), gốc từ Perovski - tên người tìm tên gọi mở rộng cho nhiều tinh thể có cấu trúc tương tự Năm 2006, nhà khoa học người Nhật Bản Tsutomu Miyasaka phát số loại perovskite bán dẫn cho thấy có nhiều hứa hẹn dùng để làm pin mặt trời Một số nhà khoa học Anh làm pin mặt trời perovskite đạt hiệu suất 10% (trong so với pin mặt trời silic ban đầu, chật vật làm pin mặt trời hiệu suất 6% nên nhiều nhà sản xuất, kinh doanh theo hướng làm pin mặt trời perovskite) 50 Số năm 2019 Hình Tinh thể perovskite Khác với silic, làm pin mặt trời perovskite không cần nuôi tinh thể, không cần làm tinh khiết vật liệu cấp độ bán dẫn mà điều chế theo phương pháp hóa học thơng thường, chí chế tạo pin mặt trời perovskite theo kiểu in (printing) Do đó, pin mặt trời perovskite pin mặt trời giá rẻ nhất, có nhiều triển vọng thống trị thị trường tiêu dùng (hình 6) Hình Chế tạo pin mặt trời perovskite cách in Giữa lọ hóa chất dùng làm mực in * * * Do tính chất đặc biệt trực tiếp chuyển từ ánh sáng thành điện nên pin mặt trời gọn nhẹ, khơng có động cơ, khơng có máy phát lượng, khai thác Vì vậy, pin mặt trời có nhiều ứng dụng, có ứng dụng quan trọng cung cấp điện cho đời sống sinh hoạt hàng ngày người; cách sản xuất điện pin mặt trời cạnh tranh so với cách sản xuất điện truyền thống khác, chủ yếu cạnh tranh giá thành ? ... xấp xỉ 97% pin mặt trời hệ Pin mặt trời hệ thường gọi pin mặt trời màng mỏng (thin-film solar cell) hay pin quang điện màng mỏng (thin film photovoltaic), mỏng cỡ 1% pin mặt trời hệ 1, nghĩa... đâu hiệu suất pin mặt trời hệ không cao, vào cỡ từ 7-12% So sánh pin mặt trời hệ loại cải tiến sau có hiệu suất trung bình vào cỡ 15-20%, cao gần gấp đôi pin mặt trời hệ Pin mặt trời hệ Có ba lớp... Trong pin mặt trời hệ có pin mặt trời hệ phối ghép lại với loại pin để tăng hiệu suất Từ đây, xuất danh từ pin mặt trời nhiều lớp Số năm 2019 49 Khoa học đời sống Cần nhớ lại rằng, pin mặt trời hệ