Pin năng lượng mặt trời là gì? Và nguyên lý hoạt động của pin

Để có thể chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện thì thiết bị không thể thiếu là pin mặt trời. Nhưng tại sáo pin mặt trời lại có thể làm được như vậy. Qua bài này HT Solar Xanh sẽ giới thiệu cho các bạn về pin năng lượng mặt trời là gì và nguyên lý nào mà pin chuyển đồi năng lượng mặt trời thành điện.

Phân loại và cấu tạo của pin mặt trời

Điện năng lượng mặt trời tiếng Anh là Solar Power – Một giải pháp tiết kiệm năng lượng cho ngôi nhà hiện đại. Hệ thống điện mặt trời sẽ bao gồm các tấm pin mặt trời, bộ biến tần, ắc quy, chúng kết nối với nhau và tạo thành một mô hình toàn diện, cung cấp năng lượng điện cho các thiết bị. Trong đó, vai trò của các tấm pin là vô cùng quan trọng. Vậy phân loại pin mặt trời thế nào? Cấu tạo pin mặt trời là gì? Cùng tìm hiểu về pin năng lượng mặt trời qua nội dung dưới đây.

Phân loại pin mặt trời

Pin mặt trời – pin quang điện được sản xuất từ nguyên liệu chủ yếu là các silic tinh thể. Do đó, nó được chia thành: Đơn tinh thể Module, đa tinh thể và dải silic. 

Đơn tinh thể module

Pin mặt trời một tinh thể hay đơn tinh thể được sản xuất dựa trên quy trình Czochralski. Các đơn tinh thể có hiệu suất hoạt động là 16%. Pin mặt trời loại này thường có giá thành cao và được cắt ra từ những thỏi có hình ống. Chúng có mặt trống tại vị trí góc nối module.

Tấm pin mặt trời đơn tinh thể Module
Tấm pin mặt trời đơn tinh thể Module

Đa tinh thể 

Là những tấm pin mặt trời được tạo thành các thỏi đúc làm bằng silic, trải qua quá trình nung nóng chúng sẽ được làm nguội để rắn trở lại. Loại pin này thường có giá thành rẻ hơn loại đơn tinh thể nhưng lại có hiệu suất kém hơn.

Một mẫu pin mặt trời đa tinh thể
Một mẫu pin mặt trời đa tinh thể

Mặc dù có nhược điểm là mang lại hiệu suất thấp, nhưng bù lại pin mặt trời đa tinh thể có thể tạo thành các tấm vuông để phủ bề mặt với diện tích lớn hơn đơn tinh thể. Do đó khắc phục được hạn chế về vấn đề hiệu suất.

Dải silic

Dải silic được tạo thành từ những miếng phim mỏng được làm từ silic nóng chảy mang cấu trúc đa tinh thể. Thường thì sản phẩm này sẽ có hiệu suất thấp, nhưng lại có giá thành tương đối rẻ vì không phải cắt từ các thỏi silicon. 

Cấu tạo pin mặt trời

Pin mặt trời được cấu tạo từ vật liệu gì là câu hỏi được rất nhiều người đặt ra. Thực tế, như đã nói ở trên, pin mặt trời được tạo thành từ những chất bán dẫn silic tinh khiết. Ở thể tinh khiết, chúng còn được gọi là chất bán dẫn mang hạt tải điện (các electron) cùng các hạt tải là lỗ trống. 

Để tạo nên một tấm pin mặt trời, trước tiên người ta sẽ sản xuất các chất bán dẫn loại n và chất bán dẫn loại p. Sau đó, ghép chúng lại với nhau để tạo ra sự tiếp xúc p-n. Như vậy, về cơ bản cấu tạo của pin năng lượng mặt trời gồm có chất bán dẫn loại n và chất bán dẫn loại p, cùng lớp tráng bề mặt trở phía trên cùng.

Cấu tạo pin năng lượng mặt trời được diễn giải qua hình dưới đây:

Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời gồm: Chất bán dẫn loại n và chất bán dẫn loại p
Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời gồm: Chất bán dẫn loại n và chất bán dẫn loại p

Lịch sử của pin mặt trời

Pin mặt trời hay pin quang điện có tên tiếng Anh là Photovoltaics. Tên gọi này xuất phát từ chữ Phos, trong tiếng Hy Lạp nó được hiểu là ánh sáng. Và chữ volt – xuất phát từ tên của nhà bác học người Ý có tên là Alessandro Volta.

Lịch sử phát triển pin mặt trời có thể được tóm tắt qua các mốc thời gian sau:

  • Năm 1839: Nhà vật lý học Alexandre Edmond Becquerel phát hiện ra hiệu ứng quang điện.
  • Năm 1883: Charles Fritts tạo ra một tấm pin mặt trời bằng việc phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp mỏng vàng để tạo thành mạch nối. Nhưng thiết bị chỉ có hiệu suất là 1%.
  • Năm 1946: Russell Ohl tạo tạo tấm pin năng lượng mặt trời đầu tiên.
  • Năm 1954: 1 tấm pin quang điện làm bằng silic có hiệu suất 6% ra đời.
  • Năm 1963: Người Nhật sản xuất ra những tấm pin mặt trời tin thể Silic đầu tiên.
  • Năm 1966: NASA sử dụng hệ thống pin mặt trời công suất 1kW để phục vụ hoạt động của đài quan sát thiên văn.
  • Năm 1973: Hội thảo Cherry Hill – Mỹ, quyết định nghiên cứu điện mặt trời.
  • 1982: Hoàn thành việc xây dựng nhà máy điện năng lượng mặt trời tại Mỹ với công suất 1MW.
  • Năm 1995: Có 1000 mái nhà được lắp hệ thống điện mặt trời.
  • Năm 1999: Công suất điện mặt trời trên toàn thế giới là 1GW.
  • Năm 2010: Công suất điện mặt trời trên toàn thế giới là 37,4GW.

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Pin mặt trời có chức năng chuyển hóa năng lượng hấp thu được thành năng lượng điện dựa trên hiệu ứng quang điện. Silicon cũng là một chất bán dẫn quan trọng cấu thành nên pin mặt trời. 

Silicon được xem là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Ở nhiệt độ thấp, nó hoạt động như một chất cách điện; Ở nhiệt độ phòng, nó hoạt động như một chất dẫn điện. Cũng bởi tính chất này mà Silicon được coi là thành quan trọng trong cấu tạo pin mặt trời.

Nguyên lý làm việc của pin mặt trời có thể hiểu đơn giản như sau:

  • Ánh sáng mặt trời bao gồm nhiều hạt photon, chúng va chạm với các nguyên tử silicon có trên pin mặt trời. Các photon sẽ truyền năng lượng đến những electron rời rạc ⇒ Kích thích các electron bật ra khỏi nguyên tử, làm xuất hiện các khoảng trống ở nguyên tử (vì chúng đang bị thiếu electron).
  • Pin mặt trời dồn các electron đang “đi lạc” thành 1 dòng điện bằng cách xây dựng một con dốc vô hình buộc các electron chảy cùng một hướng.
  • Nói cách khác, khi đánh bật các electron ra khỏi nguyên tử silicon, photon ánh sáng sẽ đưa electron vào “khuôn khổ”. Sau đó cung cấp dòng điện cho các thiết bị sử dụng điện ở giữa.

Sơ đồ nguyên lý pin mặt trời

Đây là mô phỏng sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin được thể hiện qua hình dưới đây:

Diễn giải nguyên lý pin năng lượng mặt trời
Diễn giải nguyên lý pin năng lượng mặt trời

Những lợi ích của pin năng lượng mặt trời

Quả thực, pin mặt trời là giải pháp năng lượng xanh cho cuộc sống hiện đại. Lợi ích mà mô hình này mang lại là vô kể, dưới đây là những ưu điểm điển hình nhất:

  • Tạo ra nguồn năng lượng xanh, thân thiện với môi trường: Hệ thống điện mặt trời cung cấp nguồn năng lượng xanh, không thải khí, chất độc hại ra môi trường nên rất an toàn với môi trường sống của con người.
  • Tiết kiệm chi phí, giảm thiểu hóa đơn tiền điện: Điện mặt trời sử dụng nguồn năng lượng tự nhiên, vĩnh cửu ⇒ Không tốn nguyên liệu đầu vào nhưng lại mang đến năng lượng xanh, đảm bảo hoạt động của các thiết bị điện. Điều này giúp các hộ gia đình tiết kiệm chi phí so với việc sử dụng điện lưới hông thường.
  • Tuổi thọ cao, bền bỉ với thời gian: Một hệ thống điện mặt trời có tuổi thọ lên đến 20 – 25 năm, ít cần bảo dưỡng, sửa chữa, ít bị ảnh hưởng trước các tác động của tự nhiên,…

Như vậy, nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời tương đối đơn giản. Cũng chính vì thế mà pin mặt trời đã và đang trở thành giải đáp thông minh phù hợp với căn nhà hiện đại. Nếu bạn đang có nhu cầu lắp đặt một hệ thống điện mặt trời áp mái cho ngôi nhà của mình, hãy tham khảo bài viết Suất đầu tư điện mặt trời của HT Solar Xanh để biết thêm chi tiết. Chúc bnaj thành công.