Người ta tạo ra PMT vơ định hình ở pha khí bằng cách phân hủy khí Silan SiH4 và chuyển tiếp P.I.N được tạo ra bởi sự pha tạp của khí B2H6 và PH4. Contact mặt trước được dùng là các loại màng oxit trong suốt như TiO, SnO... nhưng phổ biến nhất là màng ITO. Vì là loại pin vơ định hình, nên nó có thể được chế tạo trên bất kỳ loại đế nào như: sắt, thủy tinh, sành sứ... với diện tích rộng lớn hơn hẳn lọai pin tinh thể. Mỹ và Nhật Bản là hai nước dẫn đầu trong việc chế tạo loại pin này. Đặc biệt là Nhật Bản đã có hướng đầu tư táo bạo trong việc nghiên cứu đưa loại pin này thành một loại “vật liệu xây dựng” như ngói mặt trời và kính cửa sổ mặt trời. Có thể nói rằng đây là một loại PMT có rất nhiều hứa hẹn trong thế kỷ tới khi mà kỹ thuật và công nghệ nâng được hiệu suất của nó lên cao hơn và độ lão hóa ổn định hơn. Những công bố gần đây của các công ty hàng đầu thế giới cho thấy đã đạt được những bước tiến dài về hiệu suất như SANYO 11,7%; TDK 12%; FUJI 11,5%; ECD 11,3%; SOLAREX 10,9%; GLASS TECH 10,6%; ARCO SOLAR 10,2% ...
49
Hình 2. 18. Sơ đồ ngun lý chế tạo PMT vơ định hình Pin mặt trời hiệu suất cao
Pin mặt trời Silic đa tinh thể: Để hạ giá thành PMT, các hãng Solarex, Photowatt, Kyocera ... đã chọn Silic đa tinh thể, là vật liệu rẻ tiền, làm vật liệu chế tạo PMT. Vấn đề đặt ra là cần tăng hiệu suất của loại PMT này (năm 1990 mới đạt cỡ 10 – 12%). Rất nhiều phương pháp đã được thử nghiệm. Ví dụ trong chương trình châu Âu “Multichess”, các cơ sở như IMFC (Bỉ), CNRS và Photowatt, Eurosolaire và Enea (Ý) đã đạt được PMT diện tích 4cm2, hiệu suất 16,5% vào năm 1993, bằng cách sử dụng các công nghệ chế tạo PMT kỹ thuật cao nêu ở điểm a, b, c, e, f và g. Ngày nay, các PMT của Photowatt sử dụng phương pháp đạt hiệu suất 15% trên diện tích 100cm2. Viện công nghệ Georgran thu được hiệu suất 17,7% trên đế 1cm2 và Kyocera thu được 16,4% trên dđiện tích 225cm2. Như vậy hiệu suất 16% đối với PMT Silic đa tinh thể là đã đạt được, để có thể sản xuất đại trà.
Bảng 2. 6 Các công nghệ PMT hiệu suất cao
STT Công nghệ Mục đích
A Thụ động hóa emitter N+ bằng oxide Giảm tái hợp bề mặt trước B Làm mỏng lớp Emitter Thụ động hóa bề mặt trước C Sử dụng trường mặt sau bằng cách pha
tap Bo
Tạo trường mặt sau p+ và giảm tái hợp d Tạo bề mặt gồ ghề bằng lazer và tạo
contact Ni chìm
Tăng độ góp hạt giảm độ che của contact mặt trước.
e Gotter bằng phopho Cải thiện chất lượng vật liệu đế P f Bốc hơi chân không contact
50 g Màng chống phản xạ ARC kép
Silic đơn tinh thể, phương pháp đạt hiệu suất cao: Các hãng sản xuất PMT lớn
nhất thế giới là Siemens Solar và BP Solar ở châu Âu, Solarex (Mỹ), Kyocera (Nhật)... sử dụng Silic đơn tinh thể chế tạo bằng phương pháp Czochralsky để làm vật liệu đế. Có hai điểm bất lợi là phiến Silic rất đắt và có dạng trịn, khơng tiện lợi khi đóng module. Ưu điểm chính là cùng cơng nghệ chế tạo, hiệu suất biến đổi quang điện cao hơn Silic đa tinh thể từ 1 – 2%. Tuy nhiên xét về giá thành trên watt đỉnh của thành phẩm là như nhau. Có thể thấy thỏi Silicon có hình trụ mà khơng phải là hình khối là do q trình xử lí Czochralski, thỏi được tạo bằng cách kéo và quay silicon nóng chảy và hình dạng tự nhiên của tinh thể Silicon trong kết quả của q trình trên là hình trịn chứ khơng phải hình vng.
Các tiến bộ đang được thực hiện: Theo phân tích của Siemens Solar, giá thành cuối cùng phụ thuộc giá nguyên liệu (20 –40USD/kg), chiều dày phiến Silic và hiệu suất biến đổi quang điện . Bằng cách giảm độ dầy phiến Silic dưới 200μm, giảm độ che contact mặt trước, có thể đạt giá thành PMT 2USD/Wp.
Chương trình nghiên cứu của châu Âu lấy tên “Eurochess” gồm các phịng thí nghiệm ở Madrid (Tây Ban Nha), Freiburg (Đức) và Leren (Bỉ), hãng BP Solar và Siemens Solar có nhiệm vụ chung là đạt tới hiệu suất 18% bằng công nghệ mà giá thành sản xuất chấp nhận được trong công nghiệp. BP Solar đã đạt được 16,5%. Các cố gắng tập trung vào việc tạo màng contact kim loại rẻ tiền như: in lụa, lắng đọng hóa học Nikel, hoặc tạo bề mặt trước gồ ghề bằng ăn mịn hóa học, xử lý cơ học.
Các PMT hiệu suất cao: Bằng cách sử dụng contact bốc bay, màng chống phản
xạ kép, emitter và contact định xứ, Viện năng lượng mặt trời Freiburg (Đức) đã đạt được hiệu suất 20,7% trên dđiện tích 4cm2 từ vật liệu Silic đơn tinh thể chế tạo từ Pin mặt trời có tiếp xúc phương pháp Czochralsky (Cz). Thay vật liệu này bằng Silic đơn tinh thể chế tạo từ phương pháp nóng chảy vùng thẳng đứng (Si Fz), bằng công nghệ tương tự, Viện Freiburg đạt hiệu suất 22,3% trên dđiện tích 4cm2. Bằng vật liệu Si Fz, với các cấu trúc PMT khác, các kỷ lục về hiệu suất cũng đã đạt được.
Pin mặt trời GaAs: Sau Silic, GaAs là vật liệu bán dẫn được sử dụng nhiều nhất
51
vì 0,7V đối với Si) và hiệu suất biến đổi quang điện cao (kỷ lục là 25% thay vì 23%) mặc dù phổ hồng ngoại gần như bị cắt làm giảm dòng nối tắt xuống cịn 28mA/cm2 (thay vì 40mA/cm2). Cơng nghệ chế tạo phức tạp hơn nhiều so với PMT Si vốn không thể sử dụng phương pháp thụ động hóa bằng oxid, nhưng có thể thay thế bằng lớp “cửa sổ” Ga- xAlxAs) (x gần bằng 0,9), contact mặt trước thường được chế tạo trên lớp bề mặt pha tạp mạnh. Các đơn tinh thể của đế thường chiếm bề mặt nhỏ và rất đắt nhưng người ta có thể thay thế bằng đơn tinh thể Ge. PMT GaAs được chế tạo bằng nhiều lớp hợp chất có nồng độ pha tạp khác nhau. Các lớp này được tạo ra trong quá trình tinh thể được lớn lên liên tục. Sự lớn lên của tinh thể xảy ra trong pha lỏng, pha hơi hoặc bằng bán phân tử trong thiết bị rất phức tạp và bắt buộc phải sử dụng khí vơ cùng độc.
Bảng 2. 7 Cấu trúc PMT GaAs
Chiều dầy (μm) Cấu trúc Hợp kim Pha tạp (cm3 ) 0,5 0,05 0,5 3 0,75 1,5 300 –500 Contact Cửa sổ Emitter Đế Trường mặt sau Lớp đệm Đế GaAs Gan-1AlnAs GaAs GaAs Gan-8Aln-2 As GaAs GaAs P = 1,6.1020 P = 1018 P = 5.1018 N =1,7.1017 N = 1018 N = 1019 N = 1016
Về vấn đề này, Varian (Mỹ ) và Viện kỹ thuật Ioffé (Nga) đạt được những kết quả rất xuất sắc. Viện kỹ thuật Ioffé đã thử sản xuất pilot PMT GaAs phục vụ mục tiêu phục vụ trên mặt đất và ngoài vũ trụ và hiện đang tiếp tục được đầu tư bởi kinh phí của Mỹ. Ở Pháp, một phịng thí nghiệm chun dụng đã được CNRS thành lập ở Valbonne vào năm 1983, do ơng C.Vérié, sau đó ơng P.Gibart phụ trách đã đạt được nhiều kết quả xuất sắc, nhờ sự đầu tư đáng kể và những kinh nghiệm thực hành cực kỳ xuất sắc. Họ đạt được hiệu suất kỷ lục 26% trên diện tích 0,04cm2. Những cố gắng như vậy cần được đảm bảo bằng nguồn kinh phí lâu dài. Nói thêm về phương pháp quang khắc: Quang khắc là tập hợp các q trình quang hóa nhằm thu được các phần tử trên bề mặt của đế có hình dạng và kích thước xác định. Có nghĩa là quang khắc sử dụng các phản ứng quang hóa để tạo hình. Bề mặt của đế sau khi xử lý bề mặt được phủ một hợp chất hữu cơ gọi là chất cản
52
quang (photoresist), có tính chất nhạy quang (tức là tính chất bị thay đổi khi chiếu các bức xạ thích hợp), đồng thời lại bền trong các môi trường kiềm hay axit. Cản quang có vai trị bảo vệ các chi tiết của vật liệu khỏi bị ăn mòn dưới các tác dụng của ăn mòn hoặc tạo ra các khe rãnh có hình dạng của các chi tiết cần chế tạo. Cản quang thường được phủ lên bề mặt tấm bằng kỹ thuật quay phủ (spin-coating).
Cản quang được phân làm 2 loại:
• Cản quang dương: Là cản quang có tính chất biến đổi sau khi ánh sáng chiếu vào sẽ bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa.
• Cản quang âm: Là cản quang có tính chất biến đổi sau khi ánh sáng chiếu vào thì khơng bị hịa tan trong các dung dịch tráng rửa.
Pin mặt trời đa phổ: Nguyên lý của loại này rất đơn giản : người ta phân phổ mặt trời thành nhiều lớp, mỗi lớp được chuyển hóa bởi một PMT tương ứng. Muốn đạt hiệu suất cao, tất cả các PMT phải chuyển hóa tối đa bức xạ mặt trời chưa bị hấp thụ bởi lớp trước đó. Loại PMT kép, cịn gọi là “tandem” khá phức tạp. Về phương diện điện, có nhiều khả năng thay đổi. PMT tandem với hai đầu ra có thể xây dựng cho sự hoạt động đồng nhất, về nguyên lý không phức tạp hơn nhiều so với GaAs nhưng có hai điều kiện rất khó thực hiện : đó là sự bằng nhau của dịng nối tắt của 2 pin và vị trí trung gian ở giữa hai pin của một diod “đường ngầm” (tunel) bán trong suốt như một thành phần nối. PMT tandem bốn lối ra dễ chế tạo hơn và có hiệu suất cao hơn.
Hình 2. 19. PMT tandem
Các hệ pin mặt trời hội tụ: Trong một hệ thống quang điện , thành phần đắt tiền
nhất là PMT. Nếu ta giảm diện tích của PMT C lần nhờ hệ hội tụ C lần, ta có thể giảm giá thành hệ PMT ngay khi nó được gắn quay tự động về hướng mặt trời, hoặc ngay cả khi
53
nó khơng chuyển hóa được thành phần khuếch tán của bức xạ mặt trời. Rõ ràng một hệ hoạt động như vậy có thể hoạt động trong vùng nhiệt đới nơi bức xạ trực tiếp rất cao khoảng 6 – 7,5KWh/m2/ngày và sự tối ưu hóa sẽ tăng hiệu suất của tồn hệ thống. Thấu kình Fesnel là hệ phổ biến nhất, được hãng Entech – Texas nổi tiếng của Mỹ chọn để sử dụng. Hệ thống tự quay theo mặt trời tuy có làm phức tạp thêm về cơ khí và giảm một ít độ ổn định của tồn hệ thống, nhưng hệ này có thể thúc đẩy năng lượng sinh ra một cách đáng kể, đôi khi từ 20 – 40%. Ngoài làm cần chú ý sử dụng hệ thống làm lạnh để nhiệt độ của PMT không tăng lên nhiều.
Hình 2. 20. Thấu kính Fresnel
Hình 2. 21. Nắp che lăng tụ giảm độ che của contact
Ưu điểm chính của PMT hội tụ là tăng hiệu suất chuyển hóa lên C lần (C là hệ số hội tụ). Lý do rất đơn giản: thế hở mạch là loga của dịng nối tắt, vì vậy lấy gần đúng cũng là logic. Để tận dụng tối đa yếu tố này cần giảm điện trở nối tiếp của PMT, khi đó tăng bề rộng của các lưới contact mặt trước với sự phủ lớp hình lăng trụ để giảm sự che của contact mặt trước. Với sự hồn hảo về cơng nghệ, BP Solar đạt được hiệu suất 20,1% đối với các PMT hiệu suất 18% khi hệ số hội tụ C =1.
54
Pin mặt trời cho vũ trụ: Mỗi năm các vệ tinh và tàu vũ trụ sử dụng hàng trăm MWp PMT, chiếm khoảng 3% thị trường PMT nói chung. Giá PMT vũ trụ vào thập niên 1960 tới 1000USD/Wp. Ngày nay giá PMT dùng cho vũ trụ khoảng 55USD/Wp, đắt hơn 15 lần so với sử dụng ở mặt đất vì yêu cầu chất lượng cao, các yếu tố đó là : độ tin cậy phải hoàn hảo, hiệu suất cao và trọng lượng nhỏ. Về hiệu suất phải tính đến dùng PMT ở trên vũ trụ với bức xạ lớn hơn 35% trên mặt đất, nhưng hiệu suất giảm đi 1-2% vì phổ bức xạ hơi dịch về ánh sáng xanh. Ngồi ra cịn phải tính đến “vành đai bức xạ” thường phá hoại PMT ở độ cao 700 – 14.000km và sự thay đổi của nhiệt độ rất lớn (từ -1500C đến 600C). Phục vụ cho mục tiêu sử dụng ngoài vũ trụ, người ta thường sử dụng PMT GaAs hoặc PMT Si đơn tinh thể hiệu suất cao. So với PMT Si, PMT GaAs có hiệu suất cao hơn nhiều thường có thể gấp rưỡi. Sử dụng PMT cho mục đích vũ trụ là ứng dụng đầu tiên và còn là ứng dụng lâu dài trong tương lai. Pin mặt trời vũ trụ chính là chìa khóa cho Cơng nghệ thơng tin Viễn thơng qua các vệ tinh. Có thể nói PMT vũ trụ đã đưa lồi người sang một kỹ nguyên công nghệ mới, thơng tin viễn thơng tồn cầu và hàng loại các tiện ích của cơng nghệ thơng tin.
Hình 2. 22. Trạm Skylab – giàn pin mặt trời 20W phóng lên vũ trụ 1973
Triển vọng của pin mặt trời hiệu suất cao: Các PMT Si đơn tinh thể chế tạo bằng phương pháp Cz và sử dụng các công nghệ chế tạo được cải tiến, đạt được hiệu suất 16 – 18%. Các PMT Si hiệu suất cao và pin GaAs đạt hiệu suất 20 – 25% và đang là hướng nghiên cứu cần tiếp tục. Tuy vậy đối tượng sử dụng khá hẹp, chủ yếu dùng cho các con tàu vũ trụ. Giữa hai hướng trên là PMT hội tụ rất thuận lợi cho việc sử dụng ở các nước nhiệt đới. Song song với những tiến bộ này của PMT hiệu suất cao, PMT đa tinh thể và vơ định hình với giá thành hạ cũng là một hướng đáng quan tâm, sẽ được bàn
55
đến ở phần khác. Hiện nay, các tấm pin mặt trời truyền thống đang gặp phải vấn đề về tính hiệu quả trong việc hấp thu năng lượng. Các tấm pin này chỉ hấp thu được khoảng 20% năng lượng từ ánh sáng. Tuy nhiên gần đây, một kỹ sư thuộc trường đại học Missouri, Mỹ đã phát triển một tấm pin năng lượng mặt trời linh hoạt hơn, có khả năng hấp thu đến 90% năng lượng từ ánh sáng. Ông dự định sẽ đưa những sản phẩm thử nghiệm đầu tiên đến tay người tiêu dùng trong vòng năm năm tới.
2.4.2. Hệ thông nguồn điện pin mặt trời 2.4.2.1. Hệ thống nguồn pin mặt trời độc lập: 2.4.2.1. Hệ thống nguồn pin mặt trời độc lập:
Đối với các khu vực nơi mà khơng có lưới điện vươn tới sử dụng với quy mô nhỏ thường sử dụng nguồn Pin mặt trời độc lập. Một hệ thống nguồn Pin mặt trời độc lập gồm các bộ phận chính sau: Dàn Pin mặt trời; Bộ tích trữ điện năng; Các thiết bị điều khiển, biến đổi điện, tạo cân bằng năng lượng trong hệ; thiết bị tiêu thụ điện.
56
Hình 2. 24. Nguồn Pin mặt trời nối lưới 2.4.2.2. Hệ thống pin mặt trời nối lưới: 2.4.2.2. Hệ thống pin mặt trời nối lưới:
Trong hệ thông pin mặt trời nối lưới thì điện mặt trời được tạo ra thì chuyển đổi thành AC và hịa vào mạng lưới cơng nghiệp. Đây là công nghệ được phổ biến ở các nước phát triển Pin mặt trời đã lâu năm như: Mỹ, Nhật, Pháp, Đức…
Ưu điểm của hệ thống này là có thể khơng phải dùng bộ dự trữ điện năng, xem lưới như là bồn chứa điện năng khi cần thì có thể lấy ra sử dụng, đây là phương pháp khơng phải tốn chi phí của bộ tích trữ năng lượng, nhưng phải chăm sóc bảo dưỡng phức tạp.
2.4.2.3. Thiết kế và lắp đặt các hệ thống pin mặt trời
Modun pin mặt trời: Vì các pin mặt trời làm việc ngồi trời lâu dài, vì vậy để bảo vệ các mối nối dây, bề mặt của pin, tăng tuổi thọ của pin ta cần phải đóng pin mặt trời trong vật liệu trong suốt. Vì vậy người ta đóng nhiều pin trong vật liệu trong suất gọi là modun pin mặt trời. Mỗi modun có cơng suất và hiệu điện thế nhất định. Hiện nay với pin mặt trời Si thì một modun chỉ khoảng 100Wp và có diện tích khoảng 1m2.
Tấm pin mặt trời: Trong thực tế mỗi modun mặt trời có cơng suất và hiệu điện
thế có định. Như vậy để có được hiệu suất và hiệu điện thế như ý muốn của tải ta phải