1. Giới thiệu
Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Ứng dụng năng lượng mặt trời phát triển với tốc độ nhanh chóng, nhất là ở các nước phát triển. Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế một phần nguồn năng lượng truyền thống.
Hình 2.2: Tấm pin năng lượng mặt trời
2. Cấu tạo pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời được chia làm 8 bộ phận gồm: khung nhơm, kính cường lực, lớp màng EVA, solar cell, tấm nền pin (phía sau), hộp đấu dây (junction box), cáp điện, Jack kết nối MC4.
Hình 2.3: Cấu tạo chính của tấm pin mặt trời
Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể. Pin mặt trời cấu tạo từ tinh thể silic được chia thành 3 loại:
Hình 2.4: Silic dạng tinh thể
- Đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình trụ, do đó các tấm đơn thể này có các khoảng trống ở góc nối các module.
- Đa tinh thề làm từ các thỏi nguyên liệu đúc từ silic nung chảy được làm nguội để hóa rắn. Các pin này thường rẻ hơn và có hiệu suất kém hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vng che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể. - Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên có giá thành rẻ nhất trong các loại.
Tấm kính phủ mặt trên Lớp keo EVA Lớp các cell pin mặt trời Lớp keo EVA Tấm đáy
Hình 2.5: Sơ đồ cấu tạo tấm pin mặt trời PV
3. Nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời
Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện (hiệu ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của vật chất). Để tạo ra pin mặt trời người ta ghép 2 loại chất bán dẫn n và p với nhau để tạo ra lớp tiếp giáp p-n. Ở loại pin mặt trời thương mại phổ biến, Silic là nguyên tố chính được sử dụng (nên cịn gọi là pin Silic). Ngun tử Silic (Si) có 4 electron ở vành ngoài liên kết với 4 nguyên tử Si kề sát. Do đó khi chúng ta trộn thêm một ít nguyên tử photpho (P) với 5 ngun tử ở vịng ngồi vào, thì 4 liên kết cộng hóa trị được hình thành giữa nguyên tử P và Si, khiến thừa ra một electron tự do, đây là bán dẫn loại n. Ngược lại nếu pha một ít nguyên tử Bohr (Bo) có 3 ngun tố ở vành ngồi, dẫn đến thiếu một electron sẽ tạo thành một lỗ trống đây là bán dẫn loại p. Để tăng cường khả năng hoạt động cho các lớp tiếp giáp, người ta có thể trộn thêm các một số lượng nhất định phân tử loại khác (dopings).
Đối với pin mặt trời từ vật liệu Si khi bức xạ mặt trời chiếu đến, vùng quang phổ có bước sóng ngắn hơn 1100nm (1.5eV) sẽ có khả năng kích thích dịch chuyển electron qua bề mặt lớp tiếp giáp và hình thành dịng điện. Khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2, ở trạng thái hở mạch thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55V và khi ngắn mạch thì dịng điện đoản mạch vào khoảng 25 – 30 mA/cm2.
Hình 2.6: Ngun lý hoạt đợng của pin mặt trời
Một phần của phổ bức xạ mặt trời bao gồm các bước sóng cực tím, khả kiến và cận hồng ngoại có tác dụng sinh điện cho PV (vùng bước sóng ngắn hơn 1100nm). Ngược lại, các bước sóng ở vùng hồng ngoại càng sâu sẽ càng khơng có ý nghĩa sinh điện cho PV và khơng những thế, cịn gây ra việc gia tăng nhiệt độ làm việc của tấm pin, khiến cho hiệu suất của tấm pin bị suy giảm. Tuy nhiên, vùng bước sóng này ln là một thành phần tự nhiên tồn tại trong bức xạ mặt trời. Chính vì vậy, mục đích nghiên cứu của đề tài này là nhằm giảm thiểu tác động gia tăng nhiệt độ cho tấm pin khi làm việc.