Cấu Tạo Và Nguyên Lý Hoạt Động Của Pin Năng Lượng Mặt Trời

Pin năng lượng mặt trời là một thiết bị quan trọng nhất của hệ thống điện mặt trời. Pin mặt trời là gì? Cấu tạo của chúng bao gồm các thành phần nào? Nguyên lí hoạt động của pin mặt trời ra sao? Đó là chủ đề mà nhiều người hiện nay đang rất quan tâm. Nếu bạn cũng có chung những câu hỏi trên, hãy theo dõi trong bài viết ngay sau đây.

Pin mặt trời là gì?

Pin năng lượng mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) là một thiết bị bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells). Các tế bào quang điện là các phần tử bán dẫn chứa trên bề mặt các cảm biến ánh sáng (điốt quang) có nhiệm vụ biến đổi năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành điện năng.

Cấu tạo và vật liệu cấu thành nên tấm pin năng lượng mặt trời Solar Panel

Vật liệu cấu thành pin mặt trời

Như đã chia sẻ ở trên, các tấm pin mặt trời có chứa các tế bào quang điện nhằm thực hiện chức năng chuyển đổi quang năng thành điện năng. Các tế bào quang điện được bảo vệ bởi một vật liệu nhựa ở phía sau và một lớp kính cường lực dày ở phía trước. Các tế bào quang điện được ghép lại thành khối để tạo thành một tấm pin năng lượng mặt trời hoàn chỉnh.

Hiện nay, vật liệu chế tạo pin mặt trời chủ yếu là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

+ Các tấm pin mặt trời đa tinh thể, được làm từ các thỏi đúc, đúc từ silic nóng chảy, sau đó làm nguội và làm rắn lại. Loại pin này có hiệu suất không cao, tuy nhiên, chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn để bù lại cho hiệu suất thấp của chúng. Giá thành của loại pin này cũng khá hợp lí.

+ Các tấm pin mặt trời đơn tinh thể, được sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Chúng được cắt từ các thỏi hình ống, có các mặt trống ở góc nối các module do vậy mà hiệu suất cao hơn. Và tất nhiên, giá thành sẽ cao hơn loại trên.

+ Các tấm pin mặt trời dạng mỏng có cấu trúc đa tinh thể, dải silic được tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy, không cần phải cắt từ thỏi silicon. So với 2 loại trên thì loại này có hiệu suất kém nhất, giá rẻ nhất.

Cấu trúc các lớp bên trong pin năng lượng mặt trời Solar Panel

Một tấm pin mặt trời được cấu tạo từ 6 thành phần chính bao gồm: tế bào quang điện, lớp kính bên ngoài, tấm nền mặt sau, vật liệu đóng gói, hệ thống giá khung, hộp đựng mối nối. Từng bộ phận sẽ đảm nhận một chức năng khác nhau, cụ thể như sau:

Lớp tế bào quang điện Solar Cells bên trong

Tế bào quang điện (solar cells) có chức năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển hóa thành năng lượng điện. Các solar cells có thể là đa tinh thể hoặc đơn tinh thể. Hiện nay, phổ biến nhất là các tế bào quang điện đa tinh thể Poly, hiệu suất chuyển đổi khoảng 17,6%, tạo ra một tấm pin năng lượng mặt trời 250W với 60 cells.

Lớp kính trước của pin mặt trời

Lớp kính trước có chức năng bảo vệ và đảm bảo độ bền cho tấm pin mặt trời. Tùy từng hãng sản xuất mà độ dày của chúng sẽ dao động từ 2 – 4mm, thông thường, độ dày phổ biến nhất là 3,3mm. Tấm kính càng có độ trong suốt, chất lượng càng tốt thì càng hấp thụ được nhiều ánh sáng và hạn chế phản xạ ánh sáng ra ngoài môi trường.

Tấm nền của pin

Chức năng của thành phần này là che chắn, cách li cho các tế bào quang điện khỏi điều kiện thời tiết và độ ẩm. Tấm nền của pin thường được bán ở dạng tấm hoặc dạng cuộn, có màu trắng, độ bền và màu sắc khác nhau tùy thuộc vào từng hãng sản xuất.

Chất liệu đóng gói hoàn thiện pin mặt trời

Chất liệu đóng gói là chất kết dính các lớp khác nhau của pin mặt trời, phổ biến nhất EVA – Ethylene vinyl acetate. Đây là một polymer đục mờ được đóng theo cuộn, cắt thành các tấm đặt trước và sau các tế bào quang điện. Dưới nhiệt độ cao, loại polymer đặc biệt này sẽ trở thành một loại keo trong suốt, kết dính các tế bào quang điện.

Khung tấm pin mặt trời

Hệ thống giá khung có chức năng đảm bảo độ bền cho tấm pin mặt trời. Chúng thường được làm bằng nhôm để đảm bảo sự chắc chắn trong quá trình hoạt động.

Hộp đựng mối nối mạch điện

Hộp nối có chứa các dây cáp để kết nối các tấm pin mặt trời trong hệ thống, có chức năng đưa các mối nối điện của module pin mặt trời ra bên ngoài.

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Pin mặt trời là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n. Khi có ánh sáng mặt trời, chúng sẽ chuyển hóa thành dòng điện, dựa trên hiệu ứng quang điện.

Lịch sử hiệu ứng quang điện

Năm 1839, Alexandre Edmond Becquerel – nhà vật lí người Pháp đã lần đầu tiên phát hiện ra hiệu ứng quang điện.

Mãi cho đến năm 1883, Charles Fritts mới phát triển thành một tấm pin năng lượng mới. Ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp vàng cực mỏng để tạo nên mạch nối.

Pin năng lượng mặt trời đầu tiên được chế tạo bởi Russell Ohl vào năm 1946. Khi đó, hiệu suất của pin chỉ đạt 1%.

Nền tảng vật lý chất bán dẫn

Như đã nói ở trên, vật liệu chế tạo pin mặt trời chủ yếu là các silic tinh thể. Silic thuộc nhóm IV, có 4 electron lớp ngoài cùng. Hiện nay, pin mặt trời phổ biến nhất là pin mặt trời đa tinh thể silicon.

Silic được xem là một chất bán dẫn. Ở nhiệt độ phòng, silic nguyên chất có tính dẫn điện kém. Do vậy, để tạo ra silic có tính dẫn điện tốt hơn, chúng ta có thể thêm một lượng nhỏ các nguyên tử hóa học nhóm III hoặc V. Các nguyên tử này liên kết với các nguyên tử silic trong mạng tinh thể.

Các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và có 5 electron ngoài cùng đối với phân tử nhóm V. Do đó, trong mạng tinh thể sẽ có chỗ thiếu, chỗ dư electron. Các khoảng trống này sẽ không thể tham gia vào các kết nối mạng tinh thể.

Silic kết hợp với các phân tử nhóm III được gọi là loại “bán dẫn p”, kết hợp với các phân tử nhóm V được gọi là “bán dẫn n”. Cả 2 loại bán dẫn n-p đều có cùng năng lượng âm và dương.

Sự chuyển đổi ánh sáng quang điện thành điện năng

Khi một photon chạm vào mảnh silic, sẽ xảy ra một trong hai trường hợp dưới đây:

• Trường hợp 1: Khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron thì năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic.
• Trường hợp 2: Khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa electron thì photon truyền trực xuyên qua mảnh silic.

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của chúng sẽ được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể. Khi electron được kích thích, trở nên dẫn điện, chúng có thể di chuyển tự do trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu electron, phần thiếu hụt này sẽ tạo điều kiện để các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển vào để lấp đầy lỗ trống. Quá trình được diễn ra liên tục như vậy  lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.

Để kích thích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện, một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ. Phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên, hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành điện ít hơn so với thành năng lượng nhiệt.

Lợi ích của pin năng lượng mặt trời

Ngày càng nhiều các hộ gia đình lắp đặt pin mặt trời để sử dụng cho sinh hoạt hàng ngày, chính vì bởi, hệ thống điện mặt trời mang lại rất nhiều những lợi ích thiết thực như:

• Giảm tác động đến môi trường, không gây ô nhiễm nước, không tạo ra tiếng ồn, không tạo ra khí nhà kính.
• Giảm hóa đơn tiền điện hàng tháng
• Sử dụng điện năng lượng mặt trời vào giờ cao điểm
• Điện năng lượng mặt trời được triển khai tại bất kì đâu
• Làm mát và bảo vệ hạ tầng mái nhà do pin mặt trời sẽ tạo thành một lớp cách nhiệt, chống nóng hiệu quả.
• Mất ít điện trong quá trình vận chuyển đường dài
• Cải thiện bảo mật lưới trong trường hợp quá tải, do thiên nhiên hay con người gây ra.
• Việc lắp đặt pin mặt trời cần phải có một lực lượng lao động lớn. Do đó, sẽ tạo công ăn việc làm cho người dân địa phương.

Hi vọng, với những thông tin trên bài viết đã giúp bạn hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời, cấu tạo và những lợi ích của chúng.

Mạnh Cường Solar là công ty năng lượng mặt trời với kinh nghiệm hơn 10 năm lắp điện mặt trời hòa lưới tại Hà Nội và TP.HCM. Chúng tôi chuyên cung cấp các sản phẩm tấm pin mặt trời chính hãng, hệ thống điện mặt trời áp mái, hệ thống điện mặt trời hòa lười cho gia đình và doanh nghiệp giá rẻ uy tín nhất.

Nguồn: https://solarmcgroup.com

Phạm Hữu Tùng Lâm

Tôi là Phạm Hữu Tùng Lâm – chuyên viên tư vấn của Mạnh Cường Group về lĩnh vực Điện Năng Lượng Mặt Trời. Với kinh nghiệm 5 năm trực tiếp tư vấn và tham gia vào nhiều dự án lớn, nhỏ trên toàn quốc cũng như nước ngoài, tôi hy vọng những chia sẻ của tôi có thể giúp ích cho các bạn, giúp các bạn có được cái nhìn tổng quan hơn về sự cần thiết của Năng Lượng Mặt Trời. Nếu có gì còn thắc mắc các bạn vui lòng liên hệ qua số hotline hoặc comment trực tiếp vào bài viết để tôi có thể giải đáp cho các bạn ạ!