Tế bào quang điện là gì ?

Tế bào quang điện (Photovoltaic – PV) là một thành phần điện tử tạo ra điện khi tiếp xúc với các photon hoặc các hạt ánh sáng. Sự chuyển đổi này được gọi là hiệu ứng quang điện

Lịch sử của tế bào quang điện

Hiệu ứng quang điện được phát hiện vào năm 1839 bởi nhà vật lý người Pháp Edmond Becquerel. Mãi đến những năm 1960, tế bào quang điện mới tìm thấy ứng dụng thực tế đầu tiên của chúng trong công nghệ vệ tinh. Các tấm pin mặt trời được tạo thành từ các mô-đun tế bào quang điện bắt đầu xuất hiện trên các mái nhà vào cuối những năm 1980. Công suất quang điện đã được tăng trưởng ổn định kể từ đầu trong số 21 thế kỷ, do việc xây dựng các trang trại năng lượng mặt trời khổng lồ.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện

Cấu tạo tế bào quang điện đơn tinh thể
Cấu tạo tế bào quang điện đơn tinh thể

Tế bào quang điện được làm bằng vật liệu bán dẫn hấp thụ các photon do mặt trời phát ra và tạo ra dòng electron. Các photon là các hạt cơ bản mang bức xạ mặt trời với tốc độ 300.000 km/giây. Vào những năm 1920, Albert Einstein gọi chúng là “hạt ánh sáng”. Khi các photon va chạm vào một vật liệu bán dẫn như silicon, chúng sẽ giải phóng các electron khỏi nguyên tử của nó, để lại một khoảng trống. Các electron đi lạc chuyển động xung quanh một cách ngẫu nhiên tìm kiếm một “lỗ trống” khác để lấp đầy.

Tuy nhiên, để tạo ra một dòng điện, các electron cần phải chạy theo cùng một hướng. Điều này đạt được khi sử dụng hai loại silicon. Lớp silicon tiếp xúc với mặt trời được pha tạp với các nguyên tử phốt pho, có nhiều điện tử hơn silicon, trong khi mặt kia được pha tạp với nguyên tử bo, có ít hơn một điện tử. Kết quả là nó hoạt động giống như một cục pin: Lớp có điện tử dư thừa sẽ trở thành cực âm (n) và bên có thiếu điện tử sẽ trở thành cực dương (p). Một điện trường được tạo ra tại phần tiếp giáp giữa hai lớp.

Khi các electron bị kích thích bởi các photon, chúng bị điện trường quét về phía n, trong khi các lỗ trống trôi về phía p. Các electron và lỗ trống được hướng đến các tiếp điểm điện đặt vào cả hai phía trước khi chảy ra mạch ngoài dưới dạng năng lượng điện. Điều này tạo ra dòng điện một chiều. Một lớp phủ chống phản xạ được thêm vào trên cùng của tế bào để giảm thiểu sự thất thoát photon do phản xạ bề mặt. 

Hình vẽ mô tả nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện
Hình vẽ mô tả nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện

Hiệu suất tế bào quang điện

Hiệu suất là tỷ số giữa công suất điện do tế bào tạo ra với lượng ánh sáng mặt trời nó nhận được. Để đo hiệu suất, các tế bào quang điện được kết hợp với nhau thành tấm pin mặt trời. Các tấm pin thu được sau đó được đặt trước một bộ mô phỏng năng lượng mặt trời, mô phỏng điều kiện ánh sáng mặt trời lý tưởng: 1.000 watt/m2 (W) ở nhiệt độ môi trường là 25 °C. Công suất điện do hệ thống tạo ra, hay công suất đỉnh, là phần trăm của năng lượng mặt trời đến. Nếu tấm pin mặt trời có diện tích một mét vuông tạo ra công suất điện 200 W thì nó có hiệu suất là 20%. Hiệu suất lý thuyết tối đa của một tế bào quang điện là khoảng 33%. Đây được gọi là giới hạn Shockley-Queisser.

Trong thực tế, lượng điện được sản xuất bởi một tế bào, được gọi là sản lượng của nó, dựa trên hiệu suất của nó, lượng nắng trung bình hàng năm của khu vực xung quanh và kiểu lắp đặt. Bức xạ mặt trời sự cố thay đổi đáng kể, đo 1 megawatt-giờ trên mét vuông mỗi năm (MWh/ sq.m/y) ở khu vực Paris so với khoảng 1,7 MWh/sq.m/y ở miền nam nước Pháp và gần 3 MWh/sq.m /y ở sa mạc Sahara. Điều này có nghĩa là một tấm pin mặt trời có xếp hạng hiệu suất 15% sẽ tạo ra 150 kWh/mét vuông/năm ở Paris và 450 kWh/mét vuông/năm ở Sahara.

Các loại tế bào quang điện

ba loại tế bào quang điện chính, hiệu quả chuyển đổi của nó luôn được cải thiện.

Tế bào silicon tinh thể
Silicon được chiết xuất từ ​​silica. Loại thứ hai có nhiều dạng, bao gồm cả thạch anh, được tìm thấy với số lượng lớn trong cát. Tế bào silicon chiếm hơn 95% thị trường pin mặt trời. Trong các ứng dụng thương mại, hiệu suất của chúng dao động từ 16,5% đến 22%, tùy thuộc vào công nghệ được sử dụng.

Trong phương pháp gia công nguội, silicon được cấu tạo bởi nhiều tinh thể và được gọi là đa tinh thể. Tế bào này dễ sản xuất và có hiệu suất trong phòng thí nghiệm vượt quá 22%. Trong phương pháp kéo-từ-tan chảy, silicon được chuyển đổi thành một cấu trúc đơn tinh thể lớn và được gọi là đơn tinh thể. Nó có hiệu suất phòng thí nghiệm lên đến 26,6%. Giá của các tế bào silicon đã giảm trong những năm gần đây, khiến điện mặt trời có khả năng cạnh tranh rất tốt với các nguồn điện khác

Tế bào màng mỏng
Thay vì cắt các tấm silicon có kích thước khoảng 200 micron(1 micron bằng 1/1000 milimet), có thể lắng đọng vật liệu bán dẫn thành các lớp mỏng chỉ dày vài micron trên một chất nền như thủy tinh hoặc nhựa. Các chất thường được sử dụng là cadmium telluride và đồng indium gallium selenide (CIGS), có hiệu suất trong phòng thí nghiệm gần với silicon, lần lượt là 22,1% và 23,3%. Silicon vô định hình (không kết tinh) cũng có thể được sử dụng để tạo ra các tế bào màng mỏng. Công nghệ này từ lâu đã được áp dụng trong các máy tính nhỏ nhưng hiệu quả kém hơn so với silicon.

Tế bào hữu cơ 
Pin mặt trời hữu cơ sử dụng các phân tử hữu cơ hoặc polyme thay vì khoáng chất bán dẫn đang bắt đầu được ứng dụng thương mại. Các tế bào này tiếp tục có hiệu suất chuyển đổi thấp và thời gian tồn tại ngắn nhưng có khả năng là một giải pháp thay thế chi phí thấp về mặt sản xuất. Một công nghệ khác, pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm với sắc tố cảm quang, lấy cảm hứng từ quá trình quang hợp, đang bắt đầu thu hút sự chú ý.

Nghiên cứu trước đó về quang điện hữu cơ (OPV) đã dẫn đến việc phát hiện ra một loại tế bào mới gọi là perovskite, sử dụng các hợp chất vô cơ-hữu cơ lai làm vật liệu hoạt động. Perovskites đã đạt được hiệu quả trong phòng thí nghiệm phù hợp với hiệu quả của các công nghệ khác (kỷ lục là 23,7%).

Mặc dù vẫn cần phải thực hiện rất nhiều nghiên cứu trước khi tế bào có thể được sản xuất hàng loạt (tính không ổn định là một vấn đề), perovskites có nhiều ưu điểm. Ngoài trọng lượng nhẹ và linh hoạt, vật liệu của chúng có thể được trộn với mực và áp dụng cho các bề mặt lớn. Hơn nữa, chúng cực kỳ hiệu quả về chi phí để sản xuất.

Công nghệ tế bào quang điện

Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới đang nghiên cứu kết hợp các công nghệ quang điện khác nhau để tạo ra các tế bào đa điểm nối. Việc sử dụng các vật liệu khác nhau cho phép các tế bào đạt được hiệu suất cao hơn nhiều so với giới hạn lý thuyết tối đa (33,5%), trong khi vẫn kiểm soát được chi phí sản xuất. Nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các tế bào silicon màng mỏng, mang lại hiệu suất lý thuyết là 43%. Hiệu suất lý thuyết tối đa của tế bào đa điểm nối lớn hơn 50%.

Công ty TNHH Năng lượng Quang Điện chuyên lắp điện năng lượng mặt trời, Chúng tôi cung cấp tới khách hàng các hệ thống điện mặt trời tốt nhất, cho hiệu suất cao, vận hành bền bỉ, an toàn và đảm bảo thẩm mỹ với giá thành hợp lý.

Công ty TNHH Năng lượng Quang Điện

Địa chỉ: Phòng 746 CT10A – Khu đô thị Đại Thanh – Thanh Trì – Hà Nội

Liên hệ: 0973.356.328

5/5 - (1 bình chọn)

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

  • Liên Hệ 0973.356.328