Khi một bán dẫn loại p (hạt tải đa số là lỗ trống) và loại n (hạt tải đa số là điện tử) được tiếp xúc công nghệ với nhau (vùng p va n được tạo ra trên cùng một đế bán dẫn). Do sự chênh lệch về nồng độ điện tử, các điện tử sẽ khuếch tán từ vùng bán dẫn n sang vùng p, để lại trong vùng n các ion tạp chất donor mang điện dương (+); Ngược lại, các lỗ trống sẽ khuếch tán từ vùng bán dẫn p sang n, để lại trong vùng p các ion tạp chất acceptor mang điện âm. Theo thời gian, sự khuếch tán giảm dần và điện trường hình thành trong vùng chuyển tiếp tăng dần, đến khi đạt trạng thái cân bằng thì giữa hai bán dẫn tồn tại một điện trường tiếp xúc Etx, tương ứng với hiệu điện thế tiếp xúc Utx được tính theo công thức sau:
Utx = ln 2 i p n n p n q kT = ln 2 i a d n N N q kT (2.1)
trong đó, q là điện tích nguyên tố (q = 1.6 x 10-19 C), ni là nồng độ hạt tải trong bán dẫn tinh khiết; Na và Nd là nồng độ các tạp chất acceptor và donor, k
là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ theo thang Kelvin. Hình 2.4 mô tả sự hình thành chuyển tiếp p-n và giản đồ năng lượng của chuyển tiếp.
Hình 2.4. Sự tạo thành lớp chuyển tiếp p-n và giản đồ năng lượng
chuyển tiếp [5].
2.1.3.2 Sự tạo thành dòng điện trong pin mặt trời
Để tạo thành dòng điện cần có sự tách các hạt tải (điện tử-lỗ trống). Việc này được hình thành qua hai giai đoạn:
- Sự tạo thành cặp điện tử/lỗ trống: Khi bề mặt chất bán dẫn được chiếu sáng, các photon trong chùm sáng tới đập vào mặt bán dẫn. Những photon có năng lượng đủ lớn (lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm của bán dẫn) sẽ làm bật ra các điện tử, đồng thời, tạo thành các lỗ trống tương ứng. Phần năng lượng còn dư sẽ chuyển thành nhiệt năng thông qua các dao động mạng (phonon).
- Sự tách các điện tử và lỗ trống về hai phía của chuyển tiếp:
Dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc Etx , các điện tử và lỗ trống bị đẩy về hai phía của chuyển tiếp nơi có các điện cực. Các hạt tải này sẽ tập hợp tại điện cực và nếu có mạch ngoài khép kín thì sẽ hình thành dòng điện trong mạch ngoài. Đó chính là dòng quang điện. Hình 2.5 mô tả sự hình thành dòng điện trong pin mặt trời.
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời
[23].
2.1.3.3. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
Sơ đồ tương đương của pin mặt trời được mô tả như trên hình 2.6. Khi không được chiếu sáng, lớp chuyển tiếp p-n có tính chỉnh lưu, tương đương với một diot. Để đặc trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc p-n (khi phân cực ngược), người ta đưa vào đại lượng điện trở shunt Rsh. Khi được chiếu sáng, xuất hiện dòng điện chạy qua mạch. Nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các tiếp xúc,… Đặc trưng cho tổng điện trở của các lớp đó bằng một điện trở Rs nối tiếp trong mạch (có thể coi là điện trở trong của pin mặt trời).
Hình 2.6. Sơ đồ mạch điện tương đương của pin mặt trời.
Từ sơ đồ tương đương, có thể dễ dàng viết được phương trình đặc trưng sáng I-V của pin mặt trời như sau [5] :
I = Iph – Id – Ish = Iph – Is[exp ( + )−1 nkT I R V q s ] - sh s R I R V + (2.2) Trong đó:
Iph – Dòng quang điện (A/m2); ID – Dòng qua diot (A/m2); Is – Dòng bão hoà (A/m2);
n – Được gọi là hệ số lý tưởng (phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ chế tạo pin mặt trời, gần đúng có thể lấy bằng 1).
Rs – Điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt trời (Ω/m2); Rsh – Điện trở sơn (điện trở rò) (Ω/m2);
q – Điện tích nguyên tố (C).
Thông thường điện trở sơn Rsh rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số hạng cuối cùng trong biểu thức (2.2).
Đường đặc trưng I = f (V) theo (2.2) gọi là đường đặc trưng I-V của pin mặt trời được biểu diễn trên hình 2.7. Khi không được chiếu sáng dòng điện mạch ngoài và điện áp lối ra đều bằng không biểu diễn bằng đường đặc trưng tối (dark). Khi được chiếu sáng, (chẳng hạn với cường độ dòng photon bằng 0.1 mW/cm2) dòng điện lối ra khác không. Dòng điện lối ra sẽ tăng dần khi tăng cường độ của ánh sáng chiếu tới.
Hình 2.7. Đường đặc trưng Vôn-Ampe của pin mặt trời[23]. 2.1.3.4. Các tham số đặc trưng của pin mặt trời
Pin mặt trời được đặc trưng bởi các tham số sau:
- Công suất bức xạ chiếu tới (irradiace) đặc trưng bởi cường độ dòng ánh sáng chiếu thẳng góc xuống 1 đơn vị diện tích pin mặt trời (kW/m2);
- Độ đặc không khí (air-mass): đặc trưng bởi bề dày và độ trong suốt của lớp không khí qua đó chùm sáng chiếu tới bề mặt chất bán dẫn. Giá trị điển hình là 1.5;
- Điện áp mở mạch (voltage open circuit VOC) là điện áp tối thiểu tại đó bắt đầu xuất hiện dòng mạch ngoài (mở mạch);
- Dòng quang điện tối It
- Dòng quang điện sáng Is (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Dòng điện ngược bão hòa Ibh
- Điện trở sơn Rsh đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc p – n, phụ thuộc vào công nghệ chế tạo lớp tiếp xúc. Thông thường giá trị của Rsh khá lớn, nên dòng dò có thể bỏ qua.
2.1.3.5. Hiệu suất biến đổi quang - điện của pin mặt trời
Công suất đỉnh của pin mặt trời là công suất do pin mặt trời phát ra khi nó làm việc ở điểm làm việc tối ưu dưới bức xạ có cường độ 1000 W/m2 và ở nhiệt độ 250C. Công suất đỉnh được đo bằng Wp hay kWp.
Hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt trời là tỷ số giữa công suất điện đỉnh và tổng năng lượng bức xạ tới pin mặt trời ở một nhiệt độ cho trước [1]: η = (100%) .E0 A Popt (2.3) Trong đó: η - hiệu suất biến đổi quang điện (%);
A – diện tích bề mặt pin mặt trời được chiếu sáng (m2); E0 – cường độ bức xạ chuẩn = 1000 W/m2.
Đối với pin mặt trời tinh thể Si thương mại, η thường vào khoảng từ
(12 đến 15%). Trong phòng thí nghiệm có thể đạt tới (20 đến 22%).
2.1.4. Quy trình chế tạo pin mặt trời truyền thống
Pin mặt trời truyền thống là loại pin mặt trời được chế tạo trên nền tinh thể Si. Si là vật liệu rất dồi dào, chỉ đứng thứ hai sau carbon trong lớp vỏ Trái Đất. Tuy nhiên để có Si đơn tinh thể để chế tạo pin mặt trời, đòi hỏi phải có Si đơn tinh thể với độ tinh khiết rất cao (siêu tinh khiết khoảng 99,999999%). Để có Si siêu tinh khiết, cần quy trình công nghệ chế tạo rất phức tạp. Sau đây chúng ta xét quy trình công nghệ đó.
Hình 2.8. Sơ đồ khối quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời trên nền Si [2].
Sơ đồ khối của quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời truyền thống được cho trên hình 2.8. Đầu tiên, cần có vật liệu bán dẫn, tiếp đó là quá trình tạo lớp tiếp xúc công nghệ p-n. Các điện cực được tạo thành trên tấm bán dẫn trước khi một lớp phủ chống phản xạ, và cuối cùng là đóng gói pin mặt trời thành tế bào, kết nối thành môdun và cuối cùng lắp ghép thành panel. Sau đây là các bước cụ thể của quy trình
a. Chế tạo vật liệu bán dẫn Si đơn tinh thể:
Cát dùng làm vật liệu chế tạo Si và phải là cát giàu thạch anh SiO2 (hàm lượng SiO2vào khoảng 90% hoặc cao hơn). Trong lò hồ quang nhiệt độ cao,
SiO2được cho phản ứng với cacbon (C) để cho Si có độ sạch kĩ thuật (99%). Để Si có được độ sạch bán dẫn người ta thường dùng quá trình gọi là Trichlorosilan hóa (tạo thành HSiCl3). Phương trình phản ứng diễn ra có thể mô tả như sau:
Si + 3 HCl → HSiCl3 + H2
Sau đó bằng phương pháp chưng cất nhiệt người ta tạo được HSiCl3 dưới dạng hạt khô và tiếp đó dùng phương pháp bốc hơi người ta thu được Si có độ sạch bán dẫn (nồng độ Si ≥ 99,9999 %). Tiếp đó người ta tạo ra đơn tinh thể Si dưới dạng thanh, dạng tấm hoặc dạng băng. Thỏi Si đơn tinh thể tạo thành được cắt gọt để có dạng hình trụ đồng đều, thường có đường kính D = 7,5 ÷ 10 cm. Sau đó được cắt thành các phiến gọi là đế bán dẫn có chiều dày cỡ 0,3 ÷ 0,5 mm. Đế được mài nhẵn và làm sạch bề mặt bằng phương pháp ăn mòn hóa học để khử các khuyết tật bề mặt do quá trình cưa cắt gây ra. Sự ăn mòn hóa học còn giúp tạo cho bề mặt phiến bị “gồ ghề” nhằm làm giảm phản xạ ánh sáng trên mảnh Si.
b. Tạo tiếp xúc p-n
Để tạo lớp chuyển tiếp p-n, người ta thường dùng hai phương pháp điển hình, đó là khuếch tán nhiệt và cấy ion.
Trong phương pháp khuếch tán nhiệt. Tốc độ khuếch tán và độ sâu khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian khuếch tán. Người ta dùng một tấm đế là Si-p được pha tạp Bo với nồng độ 1016
cm-3 sau đó phủ lên tấm đế một lớp phốt pho (P) và đưa vào buồng khuếch tán có nhiệt độ khoảng 900 ÷ 950oC.
Khi các nguyên tử phốt pho khuếch tán vào tấm đế tạo thành một lớp bán dẫn loại n có độ dày khoảng 1,2 ÷ 2,5 µ m thì người ta hạ nhiệt độ để chấm dứt quá trình khuếch tán.
Vì hơn 50% ánh sáng mặt trời tới pin mặt trời bị hấp thụ trước hết chỉ ở một lớp bề mặt chiều dày 3 µ m ở sát bề mặt, phần còn lại của ánh sáng mặt trời
được hấp thụ ở lớp tiếp theo có độ dày 300 µm nên pin mặt trời được chế tạo sao cho phía trên là một lớp collector mỏng (chiều dày ≤ 3 µm), tiếp đó là một lớp đế dày nhưng có độ linh động của hạt tải cao để các hạt tải có thể chuyển động về lớp tiếp xúc p-n và về điện cực khi chúng được tạo ra trong miền này.
Ngoài phương pháp khuếch tán nhiệt, người ta còn dùng phương pháp cấy ion. Tùy theo mục đích chế tạo Si- n hoặc Si- p mà người ta dùng các “đạn” ion là P hay B. Nhờ thay đổi cường độ tia ion, ta có thể thay đổi chiều sâu đâm xuyên của các ion. Bề mặt Si sau đó phải ủ bằng tia laser hoặc tia điện tử để khử các hư hỏng bề mặt do ion bắn phá vào mạng tinh thể ở gần bề mặt. Lớp tiếp xúc p- n tạo bằng phương pháp cấy ion không khác gì nhiều so với tạo bằng phương pháp khuếch tán nhiệt. Chiều sâu của lớp p-n vào cỡ 0,25 µ m . Mật độ các tạp chất biến đổi từ 1016
cm-3 ở lớp tiếp xúc đến 1023 cm-3 tại bề mặt. Phương pháp này có ưu thế hơn so với phương pháp khuếch tán nhiệt là cần dùng ít năng lượng hơn, khả năng sản xuất lớn hơn vì đơn giản và dễ dàng khống chế chiều sâu lớp pha tạp và nồng độ tạp chất hơn.
c. Tạo các điện cực tiếp xúc
Vật liệu làm điện cực thì phải vừa có độ dẫn điện tốt và phải bám dính tốt với bán dẫn. Ngoài ra đối với điện cực mặt trên cần phải thiết kế sao cho ánh sáng mặt trời có thể đến được tiếp xúc p – n. Cần phải điều hòa giữa vấn đề che sáng và điện trở của điện cực.
Kim loại làm điện cực thường được chế tạo gồm ba lớp: lớp mỏng titan (Ti) làm lớp lót dưới cùng vì Ti bám dính Si rất tốt; lớp giữa là lớp palladi (Pd) có tác dụng ngăn phản ứng hóa học giữa lớp đế (Ti) và lớp trên cùng là bạc (Ag); Lớp bạc (Ag) trên cùng cho độ dẫn cao và dễ hàn. Các lớp tiếp xúc này sau đó phải ủ ở 5000oC ÷ 6000oC để tạo liên kết tốt và làm giảm điện trở tiếp xúc.
d. Phủ lớp chống phản xạ ánh sáng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
cho nó một lớp chống phản xạ như SiO2 để có thể làm giảm phản xạ xuống khoảng 10%. Nếu dùng hai lớp chống chống phản xạ thì có thể làm giảm phản xạ xuống 3%. Các vật liệu thường được dùng làm vật liệu chống phản xạ là SiO2,TiO2, TaO5. Công nghệ bốc hơi trong chân không là công nghệ thích hợp để tạo lớp chống phản xạ [2].
Hình 2.10 là sơ đồ cấu trúc một pin mặt trời tinh thể Si đã hoàn thiện. Nó bao gồm các thành phần: Lớp chống phản xạ ánh sáng, lưới điện cực trên, tiếp xúc bán dẫn n–p–Si, lớp điện cực dưới.
Hình 2.10. Cấu trúc một pin mặt trời tinh thể Si đã hoàn thiện [2]. e. Đóng gói các pin mặt trời thành tấm (module và panel)
Các pin mặt trời sẽ phải làm việc ở điều kiện ngoài trời lâu dài. Vì vậy để bảo vệ các lớp tiếp xúc và dây nối, bảo vệ vật liệu cách điện và do đó tăng tuổi thọ của pin mặt trời cần phải đóng gói pin mặt trời trong các vật liệu trong suốt. Tất nhiên không thể đóng gói từng pin một mà người ta đóng gói hàng chục pin tạo thành dãy nối tiếp (module) rồi kết nối các module thành tấm (panel) để có được điện áp chuẩn. Cần phải lựa chọn các pin hoàn toàn
hoặc gần như hoàn toàn giống nhau về các đặc trưng quang điện và về cơ học để xếp vào một module. Cuối cùng cần gắn các panel vào giá đỡ chắc chắn và nối vào hệ thống điện.
Việc đo đạc, kiểm tra các thông số quang điện được tiến hành nghiêm ngặt đối với từng pin mặt trời (sau công đoạn phủ lớp chống phản xạ ánh sáng) và module (sau công đoạn đóng gói các pin mặt trời). Bức xạ để kiểm tra nguồn có thể là bức xạ mặt trời tự nhiên hoặc nhân tạo có cường độ chuẩn E0 = 1000W/m2 và đo ở nhiệt độ chuẩn T0 =250oC [2].
Như vậy trong phần này ta đã trình bày hoàn thành quy trình sản xuất pin mặt trời bằng vật liệu liệu truyền thống là thể Silic (Si). Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu về pin mặt trời thế hệ mới.
2.2. Pin mặt trời thế hệ mới
2.2.1. Những hạn chế của pin mặt trời truyền thống
Mặc dù hiện nay Si là loại vật liệu thông dụng nhất để sản xuất pin mặt trời nhưng việc phổ biến pin mặt trời còn gặp rất nhiều khó khăn, đặc biệt là do giá thành sản phẩm còn quá cao. Lý do chính của việc này là hiệu suất biến đổi quang điện của Si còn thấp và giá thành cho việc chế tạo tinh thể Si siêu tinh khiết là rất phức tạp, tốn kém. Các cải tiến về công nghệ cũng như vật liệu để một mặt nâng cao hiệu suất của pin, mặt khác giảm giá thành sản xuất đang được các nhà khoa học trong nước cũng như trên thế giới tìm tòi, nghiên cứu.
Những hạn chế của pin mặt trời truyền thống : - Hiệu suất biến đổi quang điện hạn chế
- Chi phí để chế tạo tinh thể si ở dạng đơn tinh thể và siêu tinh khiết đắt - Vì vật liệu là tinh thể pin mặt trời khó sản xuất và nặng cần có giá đỡ bằng các vật liệu đắt tiền
Những nhược điểm này khiến cho pin mặt trời có giá thành cao, từ đó người ta đã tìm ra những vật liệu màng mỏng để khắc phục những nhược điểm trên.
2.2.2. Pin mặt trời thế hệ mới
Sự phát triển của khoa học vật liệu cho phép chế tạo ra các loại vật liệu mới hứa hẹn cải tiến đáng kể hiệu suất pin mặt trời. Ngoài ra, với các vật liệu mới này, các tấm pin mặt trời có thể được tạo thành từ công nghệ màng mỏng (thin film), khiến quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời trở nên đơn giản hơn nhiều. Đó chính là các pin mặt trời thế hệ mới, còn gọi là pin mặt trời màng mỏng hay pin mặt trời thế hệ thứ hai.
Những hạn chế của pin mặt trời truyền thống khiến các nhà khoa học kiên trì tìm kiếm các giải pháp khắc phục: một là lựa chọn vật liệu chế tạo sao cho quy trình sản xuất đơn giản, không đòi hỏi khắt khe về độ tinh khiết cũng