Điện mặt trời sinh ra nhờ hiện tượng quang điện

Điện mặt trời sinh ra nhờ hiện tượng quang điện. Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại được gọi là hiện tượng quang điện. Theo định luật quang điện (thứ nhất) “Ánh sáng kích thích chỉ có thể làm bật electron ra khỏi một kim loại khi bước sóng của nó (λ) ngắn hơn hoặc bằng bước sóng giới hạn quang điện của kim loại đó λ0. Tức là λ ≤  λ0  trong đó: λ là bước sóng kích thích, λ0 là bước sóng của kim loại.

Từ nguyên lý đó, năm 1839 nhà khoa học Vật lý người Pháp Edmond Becquerel đã phát hiện ra hiệu ứng quang điện giúp tạo ra điện năng khi cho điện cực kim loại tiếp xúc với ánh sáng. Ông được cho là người đầu tiên đã phát hiện ra hiện tượng quang điện, nguyên lý hoạt động của pin mặt trời. Đến năm 1954, cell pin mặt trời được làm từ Silic thuần chủng ra đời và sử dụng cho các vệ tinh vũ trụ của NASA vào năm 1964.

Như vậy, ĐMT được sinh ra nhờ ánh sáng mặt trời (có bước sóng nhỏ hơn) chiếu vào tấm pin có cấu tạo bằng Silic (có bước sóng lớn hơn) làm các electron bật ra.

Về nguyên lý thì tấm pin năng lượng mặt trời là sự kết hợp nhiều “Diode quang” lại với nhau, dòng điện một chiều được sinh ra khi có ánh sáng mặt trời chiếu vào.

Hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời là gì?

Hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời (đơn vị %) là tỉ số giữa công suất tối đa của tấm pin (tại điều kiện STC) chia cho diện tích bề mặt tấm pin mặt trời. Với các tấm pin cùng công suất, tấm pin có hiệu suất lớn sẽ tiết kiệm diện tích lắp đặt.

Tính hiệu suất tấm pin

Mỗi loại tấm pin thì có bảng thông số kỹ thuật đi kèm (Specifications). Muốn biết hiệu suất của tấm pin ta phải biết công suất của tấm pin đó. Ở đây công suất danh định cực đại (Nominal Ma.x Power) của loại tấm pin này là 385Wp (0,385kWp). Để biết diện tích được thể hiện tại mục (Dimensions) là 1979 (dài) x 1002 (rộng) x 40mm (dày) ta có được diện tích tấm pin bằng 1979 x 1002.

Vậy hiệu suất tấm pin là (0,385/(1979 x 1002)) x 100% = 19,415% được thể hiện tại mục Module efficiency tương ứng là 19,42% (đã làm tròn).

Cấu tạo tấm pin mặt trời

Pin năng lượng mặt trời là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện.

Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời

Tấm pin mặt trời, những tấm có bề mặt lớn thu thập ánh nắng mặt trời và biến nó thành điện năng, được làm bằng nhiều tế bào quang điện có nhiệm vụ thực hiện quá trình tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời.

Quy trình sản xuất tấm pin 

Quy trình sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời

Bước 1: Nguyên liệu thô

Tất cả bắt đầu với nguyên liệu thô có trong tự nhiên như đá thạch anh (nghiền nát), cát bãi biển (Silica). Để tạo ra pin năng lượng mặt trời, đầu tiên sẽ đặt các nguyên liệu thô trên vào lò nung quang điện, là nơi carbon được sử dụng để giải phóng oxy. Sản phẩm của quá trình này là carbon dioxide và silic nóng chảy. Silic lúc này có tạp chất 1%, chưa có tinh khiết để tạo tế bào quang điện, cần phải trải qua quá trình làm sạch thêm.

Silic là chất bán dẫn “Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng”. Với tính chất như vậy, silic là một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời.

Bước 2: Thỏi Silic – Ingot

Silic được thu thập, thường là ở dạng đá rắn. Loại đá này đang được nung chảy trong lò nung hình trụ ở nhiệt độ cao khoảng trên 2.5700C để tạo thành các thỏi Silic tinh khiết có hình trụ.

Bước 3: Cắt thành lát mỏng – Wafer

Thỏi silic được cắt lát bằng máy cưa dạng đa dây, thỏi silic được cắt từng lát mỏng như tờ giấy được gọi là tấm Wafer.

Bước 4: Lắp đặt các tiếp điểm điện

Các tiếp điểm điện kết nối từng tế bào năng lượng mặt trời với nhau và đến đầu thu của dòng điện hiện tại. Các tiếp điểm phải rất mỏng (ít nhất là ở phía trước) để không chặn ánh sáng mặt trời vào tế bào.

Các kim loại như paladi, bạc, niken hay đồng được hút chân không thông qua quá trình quang khắc (photoresist), in lụa hay chỉ lắng đọng trên phần tiếp xúc của các tế bào.

Bước 5: Quá trình pha tạp (doping)

Các Silic tinh khiết được pha tạp với Boron và Phốt pho để tạo ra lượng electron dư thừa và sự thiếu hụt electron tương ứng sẽ tạo chất bán dẫn có khả năng dẫn điện dương (điện cực P) hoặc điện cực âm (điện cực N).

Bước 6: Điều chế Silic đơn tinh thể (quá trình Czochralski – Nhà hóa học người Ba Lan)

Sau quá trình điều chế Czochralski, các tấm bán dẫn được hàn kín lại và đặt trong lò nung để gia nhiệt nhẹ nhàng dưới điểm nóng chảy của silic (2.570 độ F hay 1.410 độ C) với sự hiện diện của khí photpho. photpho đang được khuếch tán trong một lớp mỏng trên bề mặt của các tấm wafer. Điều này sẽ sạc bề mặt để có một hướng điện âm hoạt động trên nó. Sự kết hợp của boron và photpho sẽ tạo ra mối nối dương – âm, rất quan trọng đối với chức năng thích hợp của tế bào năng lượng mặt trời.

Bước 7: Phủ lớp chống phản quang

Bởi vì silic tinh khiết rất sáng bóng, có thể phản xạ tới 35% ánh sáng mặt trời. Để làm giảm lượng ánh sáng mặt trời bị mất, trên các tấm bán dẫn silic được phủ lớp chống phản chiếu.

Bước 8: Đóng gói tế bào thành tấm pin

Các pin mặt trời đã hoàn thành thường được đóng gói lại tạo thành các modun và được đặt vào khung kim loại bằng nhôm có tấm ốp mặt sau tạo nên sự chắc chắn cho pin cùng tấm kính bằng nhựa siêu nhẹ, có độ bền cao.

Bên trong khung kim loại là vật liệu bảo vệ gồm cao su chứa silicon trong suốt hay nhựa butyryl liên kết xung quanh các tế bào, sau đó nhúng trong etylen vinyl axetat.

Cell pin năng lượng mặt trời (tế bào quang điện)

Cell pin và tấm pin năng lượng mặt trời

Cell pin là cốt lõi để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Cấu trúc của cell pin có nhiều loại vật liệu khác nhau để sản xuất, chẳng hạn như silicon đơn, polysilicon hoặc silicon vô định hình (AnSi)

Tính chất Cell loại P & loại N

Cell pin là tấm tinh thể silic được pha trộn với các hoạt chất để giúp cell có khả năng chuyển hóa quang năng thành điện năng. Một trong những điều chúng ta ít khi thấy trên catalogue sản phẩm tấm pin có thể giúp ích cho chúng ta rất nhiều đó là loại cell P hay N.

Về tính chất Cell loại P (pha Born vào tấm Wafer) sẽ mang điện tích dương (+), giảm hiệu suất độ tinh khiết (do phản ứng giữa Boron và Oxy), bị ảnh hưởng của LID, khả năng chịu bức xạ lớn. Đối với Cell N (pha Phốt pho với tấm Wafer) sẽ mang điện tích âm (-), không bị ảnh hưởng của LID, chịu bức xạ tương đối tốt.

Busbar (Ribbons) dây dẫn

Các dây dẫn bản nhỏ khoảng 10mm2 được đặt trên cell pin gọi là Busbar. Các Busbar giúp điện năng được luân chuyển và cung cấp liên tục cho hệ thống điện mặt trời. Số lượng Busbar càng lớn sẽ giúp hiệu suất tấm pin cao hơn do nội trở giảm và Electron di chuyển dễ dàng hơn.

Mặt kính cường lực

Cell tấm pin có cấu tạo rất giòn và dễ bị nứt gãy dưới lực tác động bên ngoài. Do đó nhà sản xuất đã dùng tấm kính để bảo vệ cho cell. Điều này giúp tấm pin tránh ảnh hưởng của thời tiết và va đập trên cell.

Với chất liệu kính cường có độ dày từ 3-4mm (thông thường là 3,2 mm) được thiết kế để chống chịu nhiệt độ khắc nghiệt và lực tác động từ ngoại cảnh.

Mặt kính cường lực của tấm pin

Theo tiêu chuẩn IEC, lớp kính cần chịu được lực tác động của một viên bi đường kính 25mm di chuyển với tốc độ 27 m/s vào bề mặt tấm pin (5400 Pa / 550 kg/m²).

Để tăng cường hiệu năng và hiệu suất xuyên sáng. Các nhà sản xuất pha thêm một lượng nhỏ sắt và phủ thêm lớp chống phản xạ ở mặt sau của tấm kính để giảm tổn thất và tăng khả năng xuyên sáng.

Khung nhôm

Khung nhôm của tấm pin

Trên phần khung nhôm ở mặt sau tấm pin có các vị trí lỗ bắt ốc được thiết kế chuẩn để cố định tấm pin năng lượng mặt trời. Khung của tấm pin kết cấu bằng nhôm có khối lượng cực nhẹ, cứng và chịu được tốt các lực tác động từ bên ngoài (gió, tuyết …).

Lớp nền EVA (Ethylene Vinyl Acetate – Lớp nền đóng gói Cell)

Lớp nền EVA – đóng gói Cell

Trong quá trình sản xuất cell được phủ lớp EVA trước khi được lắp ráp bên trong tấm kính và tấm ốp ở mặt lưng. EVA là viết tắt của từ “Ethylene Vinyl Acetate” là một lớp polymer được thiết kế đặc biệt có độ trong suốt cao (nhựa) được sử dụng để đóng gói cell và cố định vị trí cell trong quá trình sản xuất.

Vật liệu EVA phải cực kỳ bền và chịu được nhiệt độ và độ ẩm môi trường. Lớp EVA đóng một phần quan trọng đến hiệu suất tấm pin trong thời gian dài hạn bằng cách ngăn chặn hơi ẩm và bụi bẩn xâm nhập.

Tấm ốp mặt lưng

Lớp ốp mặt lưng tấm pin

Tấm ốp ở mặt lưng đóng vai trò như một hàng rào chống ẩm và lớp bảo vệ cơ học, cách điện cho tấm pin năng lượng mặt trời. Tấm ốp được làm từ các loại polymer hoặc nhựa khác nhau bao gồm PP, PET và PVF giúp ổn định nhiệt và chống tia cực tím.

Junction box (hộp đấu nối)

Hộp đấu nối và Diode điều hướng dòng điện của tấm pin

Xoay mặt lưng phía sau, bạn sẽ nhìn thấy hộp nhựa đen với hai Jack cắm lộ ra ngoài. Juntionbox là hộp điện cỡ nhỏ được gắn ở mặt sau của tấm pin năng lượng mặt trời kèm theo dây kết nối và 3 Diod Bypass. Junction Box giúp cố định đây cáp để kết nối các tấm pin, là nơi các cell liên kết về điện, là lớp chắn ẩm, bụi bẩn cho tấm pin.

Diode Bypass (điều hướng dòng điện) 

Diode Bypas – điều hướng dòng điện của tấm pin

Juntionbox chứa Diode Bypass, Diode Bypass giúp tránh hiện tượng trả ngược dòng điện về cell tấm pin. Dòng trả ngược xảy ra khi 1 hay nhiều cell tấm pin bị khuất nắng do che bóng hoặc bụi bẩn. Điều này tương tự việc xảy ra tai nạn giao thông làm ùn tắc giao thông. Công an giao thông sẽ  điều hướng để giúp bạn di chuyển sang các làn đường khác. Diode Bypass cũng tương tự như vậy. Diode Bypass sẽ điều hướng để đưa các electron di chuyển sang các dãy cell khác, tránh đổ về điểm bị che bóng.

Cổng kết nối MC4 (Multi-Contact)

Cổng kết nối của tấm pin

“MC” trong MC4 là viết tắt của nhà sản xuất (nay là Staubli Electrical Connector) và “4” biểu thị cho đầu cos tiếp xúc dẫn điện đường kính 4mm. Tất cả tấm pin năng lượng mặt trời được kết nối qua cổng kết nối chịu thời tiết khắc nghiệt mang tên cổng MC4. Cổng MC4 hiện nay hỗ trợ dây tiết diện 4-6 mm². Có rất nhiều loại cổng MC4 trông giống nhau, tuy nhiên chúng ta nên sử dụng MC4 cùng loại. MC4 cùng loại giúp bạn có được mối nối tiếp xúc tốt và tránh xảy ra hồ quang, tia lửa điện trong quá trình hoạt động.