Pin mặt trời được tạo ra bởi nhà vật lý pháp Alexandre Edmond Becquerel nhưng nhờ có Charles Fritt mới được tạo thành hoàn chỉnh pin mặt trời . Vậy Pin mặt trời làm từ gì ? Hãy cùng Techway tìm hiểu nhé .
Tham khảo thêm :
- https://techway.vn/cac-loai-pin-nang-luong-mat-troi/
- https://techway.vn/pin-nang-luong-mat-troi-hang-nao-tot/
- https://techway.vn/y-nghia-thong-so-ky-thuat-cua-pin-mat-troi/
- https://techway.vn/nhung-dieu-can-biet-truoc-khi-lap-dat-dien-mat-troi/
- https://techway.vn/cach-lap-dat-pin-nang-luong-mat-troi/
Khái quát chung về pin mặt trời
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 diode quang , thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện .
Cường độ dòng điện , hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời ( thông thường 60 cell hoặc 72 cell 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 . Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện .
Hoạt động của pin mặt trời
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 pin mặt trời . Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện .
Ngày nay , vật liệu chế tạo pin mặt trời được sử dụng chủ yếu đó là silic dạng tinh thể . Để đơn giản , miêu tả sau đây chỉ giới hạn hoạt động của một pin năng lượng tinh thể silic .
Nguyên tố silic
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 ) . Pin năng lượng Mặt trời 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 .
Lý thuyết nền tảng về cơ chế của vật liệu silic
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 ( phốt pho , 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 .
Quá trình chuyển đổi ánh sáng
Khi một photon chạm vào mảnh silic , sẽ xảy ra 2 điều sau đây :
– Năng lượng của Photon truyền qua mảnh silic . Nếu năng lượng của photon thấp hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn .
– Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic . Nếu 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 truyền đến electron trong màng tinh thể . Electron ở lớp ngoài cùng , sẽ kết dính với các nguyên tử lân cận không thể di chuyển xa . Khi electric kích thích sẽ trở thành dẫn điện , các electron này có thể di chuyển trong bán dẫn . khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron tạo nên một lỗ trống . Lỗ trống này sẽ di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn .
Tần số mặt trời thường tương đương 60000K khi photon có năng lượng lớn hơn năng lượng đủ kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện . Vì thế phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic .
Khi điện trường tạo ra , thì cần phải thu thập và chuyển nó thành dòng điện có thể sử dụng được . Vì thế một bộ biến tần ( inverter ) được gắn với các tế bào năng lượng mặt trời sẽ biến dòng điện một chiều thành xoay chiều .