Tấm quang điện

Tấm quang điện (Sonal panel) dùng để hấp thụ năng lượng từ nguồn ánh sáng thiên nhiên chuyển quang năng thành điện năng phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt. Một mặt tiết kiệm chi phí, mặt khác bảo vệ môi trường vì sử dụng nguồn năng lượng này hầu như không gây ra các chất, khí thải độc hại không có lợi cho môi trường.

Công nghệ

Hai công nghệ tấm quang điện được sử dụng rộng rãi là công nghệ màng mỏng và công nghệ đơn/đa tinh thể.

Một tấm quang điện (solar panel) được cấu tạo và bao gồm các vật liệu chính như khung được làm bằng nhôm, kính cường lực. Tế bào quang điện (solar cell) là tấm silic dạng đơn/đa tinh thể hoặc màng silic mỏng. Kính cường lực và tế bào quang điện được sản xuất từ cát với thành phần chủ yếu là oxit silic (SiO2) thường dùng để sản xuất các đồ dùng như chai lọ thủy tinh đựng thức ăn. Lớp màng bao bọc EVA là loại vật liệu polymer kết hợp giữa Ethylene và Acetate, đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành may mặc, giày dép, công nghiệp phụ trợ.

Cấu tạo

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. Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của tấm quang năng thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành tấm quang năng (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời). Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo. Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng (ví dụ cảm biến hồng ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng.

Lợi ích

• Tạo ra nguồn năng lượng xanh

Ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng tự nhiên quen thuộc với tất cả mọi người. Nhờ có tấm quang năng mà nguồn năng lượng tự nhiên đó được chuyển hóa thành điện năng để phục vụ cho đời sống của con người

• Thân thiện với môi trường

Một điểm cộng cho tấm quang năng chính là tạo ra một nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường.

Nguy hại khi chế tạo

Trên thế giới, quá trình sản xuất tế bào tấm quang năng sử dụng một số vật liệu nguy hại, chủ yếu để làm sạch bề mặt chất bán dẫn. Những hóa chất này, tương tự như những hóa chất được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn nói chung, bao gồm axit clohydric, axit sulfuric, axit nitric, hydro fluoride, 1,1,1-trichloroethane và axeton. Số lượng và loại hóa chất được sử dụng phụ thuộc vào loại tế bào quang năng, lượng làm sạch cần thiết và kích thước của tấm silicon.

Ngoài ra, người lao động cũng phải đối mặt với việc hít phải bụi silicon. Do đó, các nhà sản xuất PV phải đảm bảo rằng công nhân không bị tổn hại khi tiếp xúc với các hóa chất này và các sản phẩm thải ra từ quá trình sản xuất được xử lý đúng cách.

Nếu không được xử lý và tiêu hủy đúng cách, những vật liệu này có thể gây ra các mối đe dọa đến môi trường, hoặc sức khỏe cộng đồng. Tuy nhiên, người ta cũng muốn những vật liệu quý hiếm và có giá trị cao này được tái chế thay vì vứt bỏ.

Tái chế

Theo quy định của Liên minh châu Âu (EU), các chủ đầu tư phải tìm cách tái chế tấm quang điện nhằm lấy lại các kim loại có giá trị, qua đó giảm thiểu chất độc hại. Nhưng EU chỉ yêu cầu 85% thu hồi tấm quang điện thải trong đó 80% tái chế - tức là chỉ khoảng hai phần ba lượng vật liệu hữu ích trong tấm quang điện được tái chế. Sự giới hạn này có lẽ là do việc trợ giá có giới hạn.

Ấn Độ, Nhật Bản và Úc cũng yêu cầu tái chế. Mỹ chưa có yêu cầu này thành luật, tuy có ước tính 10% lượng tấm quang điện được tái chế. Phần còn lại được đem chôn, hoặc xuất khẩu sang các nước nghèo có quy định bảo vệ môi trường lỏng lẻo. Riêng bang Washington có luật giảm thuế cho điện mặt trời, nhờ đó các chủ đầu tư có thể thực hiện tái chế. Có công nghệ tái chế được cho là có thể thu hồi đến 90% vật liệu hữu ích.

Phát hiện

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel lúc ông 19 tuổi khi đang làm thí nghiệm tại phòng nghiên cứu của cha. Willoughby Smith nhắc đến phát minh này trong một bài báo xuất bản ngày 20 tháng 2 năm 1873 trên tạp chí Nature. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị chỉ có hiệu suất 1%. Năm 1888, nhà vật lý học người Nga Aleksandr Stoletov tạo ra tấm pin đầu tiên dựa vào hiệu ứng quang điện được phát hiện bởi Heinrich Hertz trước đó vào năm 1887.

Albert Einstein đã giải thích được hiệu ứng quang điện vào năm 1905, công trình đã giúp ông giành giải Nobel vật lý năm 1921.

Vadim Lashkaryov phát hiện ra phân lớp p-n trong CuO và bạc sul-phát vào năm 1941.

...

Hoạt động

Hoạt động của tấm quang điện được chia làm ba giai đoạn:

• Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn.
• Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction). Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của tấm quang điện.
• Tấm quang điện sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện.

Các tấm quang điện có nhiều ứng dụng trong thực tế. Do giá thành còn đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo Trái Đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước...

Thành phần

Nguyên tố Silic thuộc nhóm IVA trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng. Silic nguyên tố không tìm thấy trong tự nhiên mà tồn tại dạng hợp chất phân tử ở thể rắn. Cơ bản có hai loại chất rắn silicon, là đa thù hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều). Tấm quang điện phổ biến nhất là dạng đa tinh thể silicon.

Silic là vật liệu bán dẫn. Nghĩa là trong thể rắn của silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được. Đơn giản hiểu là có lúc dẫn điện, có lúc không dẫn điện. Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử.

Ở nhiệt độ phòng thí nghiệm (khoảng 28 °C), Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém (cơ học lượng tử giải thích mức năng lượng Fermi trong tầng trống). Trong thực tế, để tạo ra các phân tử silic có tính dẫn điện tốt hơn, chúng được thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học. Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự tạo thành một mạng silic (mạng tinh thể). Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron. Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể. Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể. Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phosphor, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative). Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p.

Hiệu suất

Hiệu suất là tỉ số giữa năng lượng điện từ và năng lượng ánh sáng Mặt trời. Vào buổi trưa một ngày trời trong, ánh Mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m². trong đó 10% hiệu suất của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W. hiệu suất của tấm quang năng thay đổi từ 6% từ pin Mặt trời làm từ silic không thù hình, và có thể lên đến 30% hay cao hơn nữa.

Có nhiều cách để nói đến giá cả của hệ thống cung cấp điện (chính xác là phát điện), là tính toán cụ thể giá thành sản xuất trên từng kilo Watt giờ điện (kWh). Hiệu năng của tấm quang năng tạo dòng điện với sự bức xạ của Mặt trời là 1 yếu tố quyết định trong giá thành. Nói chung, với toàn hệ thống, là tổ hợp các tấm tấm quang năng, thì hiệu suất là rất quan trọng. Và để tạo nên ứng dụng thực tế cho tấm quang năng, điện năng tạo nên có thể nối với mạng lưới điện sử dụng dạng chuyển đổi trung gian; trong các phương tiện di chuyển, thường sử dụng hệ thống ắc quy để lưu trữ nguồn năng lượng chưa sử dụng đến. Các tấm quang năng thương mại và hệ thống công nghệ cho nó có hiệu suất từ 5% đến 15%. Giá của 1 đơn vị điện từ 50 Eurocent/kWh (Trung Âu) giảm xuống tới 25 eurocent/kWh trong vùng có ánh Mặt trời nhiều.

Chuyển đổi ánh sáng

Khi một photon chạm vào một mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:

1. Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn.
2. Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn.

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong mạng tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là "lỗ trống". Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào "lỗ trống", và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống". Cứ tiếp tục như vậy "lỗ trống" di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng lượng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của Mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng Mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên hầu hết năng lượng Mặt trời có tác dụng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được.

Vật liệu

Ngày nay thì vật liệu chủ yếu chế tạo tấm quang điện (và cho các thiết bị bán dẫn) là silic dạng tinh thể. Tấm quang điện từ tinh thể silic chia ra thành ba loại:

• Một tinh thể hay tinh thể đơn (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 silic hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
• Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc - đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn. Các tấm này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
• 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 loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.

Nền tảng chế tạo dựa trên Công nghệ sản xuất tấm mỏng, có độ dày 300 μm và xếp lại để tạo nên các module tạo thành các loại pin trên.==Tham khảo==