Các tế bào năng lượng mặt trời, chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện, đã ra đời cách đây hơn một trăm năm, mặc dù các tế bào năng lượng mặt trời ban đầu quá kém hiệu quả nên không được sử dụng nhiều. Vào tháng 4 năm 1954, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Bell đã chứng minh pin mặt trời silicon thực tế đầu tiên.
Lịch sử tấm pin năng lượng mặt trời
Năm 1839, Alexandre Edmond Becquerel đã khám phá ra hiệu ứng quang điện giải thích cách tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời. Ông khẳng định rằng “chiếu ánh sáng vào điện cực ngập trong dung dịch dẫn điện sẽ tạo ra dòng điện.
Năm 1873, Kỹ sư điện người Anh Willoughby Smith đã phát hiện ra hiện tượng quang dẫn của selen trong khi thử nghiệm vật liệu làm dây cáp điện báo dưới nước, nghĩa là nó trở nên dẫn điện khi hấp thụ ánh sáng. Ba năm sau, William Grylls Adams và Richard Evans Day biết được rằng selen có thể tạo ra điện từ ánh sáng mà không cần nhiệt hoặc các bộ phận chuyển động có thể dễ dàng bị hỏng. Khám phá này đã chứng minh rằng năng lượng mặt trời rất dễ thu hoạch và bảo trì, cần ít bộ phận hơn các nguồn năng lượng khác – chẳng hạn như các nhà máy đốt than.
Năm 1883, nhà phát minh người New York Charles Fritts tạo ra pin mặt trời đầu tiên bằng cách phủ selen một lớp vàng mỏng. Fritts báo cáo rằng mô-đun selen tạo ra một dòng điện “liên tục, không đổi và có lực mạnh”. Tế bào này đạt được tỷ lệ chuyển đổi năng lượng từ 1 đến 2 phần trăm. Mặc dù Fritts đã hy vọng các tế bào năng lượng mặt trời của mình có thể cạnh tranh với các nhà máy nhiệt điện than của Edison, chúng có hiệu suất chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng thấp hơn một phần trăm và do đó không thực tế lắm nhưng nó vẫn là bước khởi đầu của sự đổi mới tấm pin mặt trời quang điện ở Mỹ. Một số nghiên cứu về quang điện selen tiếp tục trong vài thập kỷ tiếp theo, và một số ứng dụng đã được tìm thấy, nhưng chúng không được đưa vào sử dụng rộng rãi.
Năm 1887, Nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng quang điện, trong đó ánh sáng được sử dụng để giải phóng các electron khỏi bề mặt rắn (thường là kim loại) để tạo ra điện năng. Trái ngược với kết quả mong đợi, Hertz nhận thấy quá trình này tạo ra nhiều năng lượng hơn khi tiếp xúc với ánh sáng cực tím, thay vì ánh sáng nhìn thấy cường độ cao hơn. Albert Einstein sau đó đã nhận được giải Nobel vì đã giải thích thêm về hiệu ứng này. Pin mặt trời ngày nay dựa vào hiệu ứng quang điện để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng.
Năm 1918, Jan Czochralski, một nhà khoa học người Ba Lan đã phát hiện ra cách phát triển silicon đơn tinh thể vào năm 1918, sau này được sử dụng làm cơ sở để tạo ra pin mặt trời sử dụng silicon, một cột mốc quan trọng khác trong quá trình sử dụng năng lượng mặt trời ngày nay.
Bước tiến lớn tiếp theo trong công nghệ pin mặt trời được thực hiện vào năm 1940 bởi Russell Shoemaker Ohl, một nhà nghiên cứu chất bán dẫn tại phòng thí nghiệm Bell. Ông đã điều tra một số mẫu silicon, một trong số đó có vết nứt ở giữa và nhận thấy rằng trong mẫu cụ thể này, dòng điện chạy qua mẫu này khi nó tiếp xúc với ánh sáng. Vết nứt này, có lẽ đã hình thành khi mẫu được tạo ra, thực sự đánh dấu ranh giới giữa các vùng chứa các mức độ tạp chất khác nhau, vì vậy một bên được pha tạp dương và bên kia pha tạp âm. Ohl đã vô tình tạo ra một điểm nối pn, cơ sở của pin mặt trời. Điện tích dương dư thừa tích tụ ở một bên của rào cản pn, và điện tích âm dư thừa tích tụ ở phía bên kia của rào cản, tạo ra điện trường. Khi tế bào được nối vào một mạch, một photon tới va chạm vào tế bào sau đó có thể tạo ra một cú hích cho một điện tử và bắt đầu chạy dòng điện. Ohl đã được cấp bằng sáng chế cho pin mặt trời của mình, có hiệu suất khoảng một phần trăm.
Tế bào năng lượng mặt trời silicon thực tế đầu tiên được tạo ra sau đó 13 năm bởi một nhóm các nhà khoa học làm việc cùng nhau tại Phòng thí nghiệm Bell.
Năm 1953, kỹ sư Daryl Chapin, người trước đây đã làm việc trên vật liệu từ tính tại Bell Labs, đang cố gắng phát triển một nguồn năng lượng cho các hệ thống điện thoại ở những nơi ẩm ướt xa xôi, nơi pin khô xuống cấp quá nhanh. Chapin đã nghiên cứu một số nguồn năng lượng thay thế, và giải quyết vấn đề năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng hứa hẹn nhất. Ông đã thử sử dụng pin mặt trời chứa selen, nhưng thấy chúng quá kém hiệu quả.
Trong khi đó, Calvin Fuller, một nhà hóa học và Gerald Pearson, một nhà vật lý, đang nghiên cứu việc kiểm soát các đặc tính của chất bán dẫn bằng cách đưa các tạp chất vào. Fuller đưa cho Pearson một miếng silicon có chứa tạp chất gali. Pearson nhúng nó vào liti, tạo ra một điểm nối pn. Sau đó Pearson nối một ampe kế vào miếng silicon và chiếu đèn vào đó. Ampe kế đã nhảy lên đáng kể, trước sự ngạc nhiên của họ.
Pearson, người biết về công việc của Chapin, đã đến và nói với bạn mình rằng đừng lãng phí thời gian nữa cho pin mặt trời selen, và Chapin ngay lập tức chuyển sang sử dụng silicon.
Sau đó, cả ba đã làm việc trong vài tháng để cải thiện các đặc tính của pin mặt trời silicon của họ. Một vấn đề là khó khăn trong việc tiếp xúc điện tốt với các tế bào silicon. Một vấn đề khác là ở nhiệt độ phòng, lithium di chuyển qua silicon theo thời gian, di chuyển tiếp giáp pn ra xa ánh sáng mặt trời tới. Để giải quyết vấn đề đó, họ đã thử các tạp chất khác nhau, và cuối cùng lắng đọng trên asen và bo, tạo ra một tiếp giáp pn ở gần bề mặt. Họ cũng phát hiện ra rằng họ có thể tiếp xúc điện tốt với silicon boron-asen được bán. Sau khi thực hiện một số cải tiến khác về thiết kế, họ đã liên kết một số pin mặt trời với nhau để tạo ra thứ mà họ gọi là “pin năng lượng mặt trời”.
Bell Labs công bố phát minh này vào ngày 25 tháng 4 năm 1954 tại Murray Hill, New Jersey. Họ đã trình diễn bảng điều khiển năng lượng mặt trời của mình bằng cách sử dụng nó để cung cấp năng lượng cho một bánh xe Ferris đồ chơi nhỏ và một máy phát radio chạy bằng năng lượng mặt trời.
Những tế bào năng lượng mặt trời silicon đầu tiên đó có hiệu suất khoảng 6% trong việc chuyển đổi năng lượng dưới ánh sáng mặt trời thành điện năng, một cải tiến lớn so với bất kỳ loại pin mặt trời nào trước đây.
Tờ New York Times đã viết rằng pin mặt trời silicon “có thể đánh dấu sự khởi đầu của một kỷ nguyên mới, cuối cùng dẫn đến việc hiện thực hóa một trong những giấc mơ ấp ủ nhất của nhân loại – khai thác năng lượng gần như vô hạn của mặt trời để sử dụng cho nền văn minh”.
1958, sau nhiều năm thử nghiệm nhằm nâng cao hiệu quả và thương mại hóa năng lượng mặt trời, năng lượng mặt trời đã nhận được sự ủng hộ khi chính phủ sử dụng nó để sử dụng trong không gian, cung cấp năng lượng cho các thiết bị thám hiểm không gian. Vệ tinh đầu tiên chạy bằng năng lượng mặt trời, Vanguard 1 đã đi hơn 197.000 vòng quanh Trái đất trong 50 năm nó ở trên quỹ đạo. Ứng dụng này đã mở đường cho nhiều nghiên cứu nhằm giảm chi phí và tăng sản lượng.
Pin mặt trời ngày nay được sử dụng trong tất cả các loại thiết bị, từ máy tính cầm tay đến tấm pin mặt trời trên mái nhà. Các thiết kế được cải tiến và vật liệu tiên tiến đã giúp có thể chế tạo pin mặt trời đạt hiệu suất trên 40%, đồng thời việc nghiên cứu và phát triển vẫn tiếp tục với mục tiêu giảm chi phí và nâng cao hiệu suất để làm cho năng lượng mặt trời cạnh tranh hơn với nhiên liệu hóa thạch.
