Tổng quan về pin mặt trời
Lịch sử ra đời của pin mặt trời
Pin mặt trời, hay pin quang điện, là công nghệ chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng thông qua các chất bán dẫn Khi ánh sáng chiếu vào các tế bào quang điện, chúng tạo ra điện năng, nhưng khi không có ánh sáng, quá trình này sẽ ngừng hoạt động Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng quang điện.
Pin mặt trời có nguồn gốc từ năm 1839 khi Alexandre-Edmund Becquerel phát hiện ra hiệu ứng quang điện, đánh dấu sự khởi đầu của công nghệ này Đến năm 1883, nhà phát minh Ch Frits đã mô tả các pin năng lượng mặt trời đầu tiên được làm từ tấm Se-wafer Tiến xa hơn, vào năm 1953, D Chapin, C Fuller và G Pearson Silicon đã chế tạo thành công một pin năng lượng mặt trời có kích thước 2 cm² với hiệu suất 4%.
Năm 1954, nghiên cứu về hiệu suất pin năng lượng mặt trời đã đạt được mức 6% Từ năm 1957 đến 1959, Hoffmann Electronics đã nâng cao hiệu suất lên 8%, 9% và 10%, đồng thời phát triển hệ thống các mối nối để giảm điện trở của thiết bị Đến năm 1960, hiệu suất pin quang điện của Hoffmann Electronics đã đạt 14%, chủ yếu phục vụ cho vệ tinh và ứng dụng không gian Đặc biệt, vào năm 1985, M Green tại Đại học New South Wales, Australia, đã phá vỡ rào cản 20% về hiệu suất cho pin năng lượng mặt trời c-Si dưới ánh sáng trong phòng thí nghiệm.
2 nghiệm Và cho đến năm 1999 M.A Green và J Zhao đạt được hiệu xuất kỷ lục 24,7% trong phòng thí nghiệm với pin mặt trời c-Si [11]
Hình 1.1 Mô hình pin mặt trời đầu tiên [2].
Vật liệu chế tạo pin mặt trời
Vật liệu chế tạo pin mặt trời chủ yếu là vật liệu bán dẫn, có khả năng dẫn điện trong những điều kiện nhất định và trở thành cách điện trong những điều kiện khác Điểm nổi bật của vật liệu bán dẫn là điện trở suất của chúng giảm khi nhiệt độ tăng Mỗi loại bán dẫn có một khoảng nhiệt độ giới hạn, và các linh kiện làm từ chúng chỉ hoạt động hiệu quả trong dải nhiệt độ này Vật liệu bán dẫn được phân loại thành hai loại chính: bán dẫn thuần và bán dẫn pha tạp.
Chất bán dẫn thuần là loại chất có cấu trúc tinh thể hoàn hảo, không chứa nguyên tố khác Trong bán dẫn silicon (Si) thuần, mỗi nguyên tử Si kết hợp với 4 nguyên tử Si xung quanh thông qua 4 điện tử hóa trị, tạo thành liên kết hóa trị Ở nhiệt độ 0 K, vùng hóa trị được lấp đầy bởi điện tử, trong khi vùng dẫn hoàn toàn trống Khi nhiệt độ tăng lên trên 0 K, năng lượng nhiệt khiến một số điện tử từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn, trở thành điện tử tự do và tham gia vào dòng điện Sự thiếu hụt điện tử trong vùng hóa trị tạo ra mức năng lượng lỗ trống, cho phép điện tử xung quanh nhảy vào lấp đầy lỗ trống này, từ đó tạo ra lỗ trống mới Quá trình này diễn ra qua nhiều bước nhảy của các điện tử.
Trong bán dẫn, có hai loại hạt tải điện chính là điện tử và lỗ trống, với mật độ của chúng tương đương nhau Lỗ trống di chuyển trong vùng hóa trị, góp phần vào quá trình dẫn điện Mức Fermi trong bán dẫn thuần nằm gần giữa vùng cấm.
Hình 1.2 Cấu trúc mạng tinh thể của Si [4]
Chất bán dẫn pha tạp là chất bán dẫn thuần được cải tiến bằng cách thêm các nguyên tố tạp chất vào silic nguyên chất, nhằm nâng cao tính chất dẫn điện Trong số đó, chất bán dẫn loại n là một ví dụ điển hình.
Chất bán dẫn loại n được hình thành bằng cách pha trộn chất bán dẫn thuần với các tạp chất có hóa trị 5, tạo ra một điện tử dư thừa trong các mối liên kết cộng hóa trị Cụ thể, nguyên tố P với hóa trị 5 sẽ được bao quanh bởi 4 nguyên tố Si, trong đó các nguyên tử Si liên kết cộng hóa trị với nguyên tử P Tuy nhiên, điện tử thứ 5 của P không thể tham gia vào liên kết với nguyên tử Si xung quanh Do đó, chỉ cần cung cấp một lượng năng lượng nhỏ, điện tử này sẽ trở thành điện tử tự do.
Hình 1.3 Chất bán dẫn loại n với tạp chất là nguyên tử P [4]
Trong chất bán dẫn loại n, nồng độ điện tử vượt trội hơn nhiều so với nồng độ lỗ trống (n n >> p n) Các điện tử này được xem là hạt tải đa số, trong khi các lỗ trống được gọi là hạt tải thiểu số.
Hình 1.4 Giản đồ năng lượng của chất bán dẫn loại n [4] b) Chất bán dẫn loại p
Chất bán dẫn loại p được tạo ra bằng cách pha tạp chất có hóa trị 3, như nguyên tố B, vào mạng tinh thể silicon (Si), dẫn đến việc thiếu một điện tử trong các liên kết cộng hóa trị Điều này tạo ra một lỗ trống do sự thiếu hụt điện tử Trong chất bán dẫn p, nồng độ lỗ trống vượt trội hơn so với điện tử, vì vậy lỗ trống được xem là hạt tải đa số, trong khi điện tử là hạt tải thiểu số.
Hình 1.5.Chất bán dẫn loại p có tạp chất là nguyên tử B [4]
Hình 1.6 Giản đồ năng lượng của chất bán dẫn loại p [4]
1.2.3 Cấu trúc vùng năng lượng
Hình 1.7 Cấu trúc năng lượng của điện tử trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn [18]
Tính chất dẫn điện của vật liệu rắn được giải thích qua lý thuyết vùng năng lượng Trong nguyên tử, điện tử tồn tại trên các mức năng lượng gián đoạn, nhưng khi các nguyên tử kết hợp thành khối, các mức năng lượng này chồng chéo lên nhau và hình thành các vùng năng lượng Có ba vùng chính trong cấu trúc này, ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện của vật liệu.
- Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo
6 thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động
Vùng dẫn (Conduction band) là vùng có năng lượng cao nhất, nơi các điện tử trở nên linh động như điện tử tự do Các điện tử trong vùng này đóng vai trò là điện tử dẫn, cho phép chất dẫn điện khi có mặt của chúng Tính dẫn điện của chất sẽ tăng lên khi mật độ điện tử trong vùng dẫn gia tăng.
Vùng cấm (Forbidden band) là khu vực giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, nơi không có mức năng lượng cho phép điện tử tồn tại Trong trường hợp bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm, được gọi là mức pha tạp Độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap), được xác định bởi khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị Tính dẫn điện của các chất rắn và đặc điểm của chất bán dẫn có thể được giải thích đơn giản thông qua lý thuyết vùng năng lượng, phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ.
Kim loại luôn dẫn điện do không có vùng cấm, với vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau Ngược lại, các chất bán dẫn có vùng cấm xác định, khiến chúng không dẫn điện ở nhiệt độ 0 ⁰K khi tất cả điện tử nằm trong vùng hóa trị Khi nhiệt độ tăng, điện tử nhận năng lượng nhiệt nhưng chưa đủ để vượt qua vùng cấm Tuy nhiên, khi nhiệt độ đạt mức cao, một số điện tử nhận đủ năng lượng để nhảy lên vùng dẫn, làm cho chất bán dẫn trở thành dẫn điện Sự dẫn điện của chất bán dẫn tăng theo nhiệt độ, dẫn đến giảm điện trở suất Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ có thể được mô tả một cách gần đúng.
Trong đó: R là điện trở suất, R 0 là hằng số, E g là độ rộng vùng cấm, k B là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ
Tính dẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi khi chịu tác động của ánh sáng, vì các điện tử hấp thu năng lượng từ photon và nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn Hiện tượng này gây ra sự thay đổi về tính chất của chất bán dẫn, được gọi là quang-bán dẫn.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Pin mặt trời hiện nay chủ yếu được sản xuất từ vật liệu bán dẫn silic (Si) có hóa trị 4 Cấu trúc của pin mặt trời tương tự như một điốt, với lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, cho phép chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện Bán dẫn silic loại n được tạo ra bằng cách khuếch tán các nguyên tố hóa trị V như Photpho, Antimony và Arsenic vào đơn tinh thể silic, trong khi bán dẫn silic loại p được chế tạo bằng cách khuếch tán các nguyên tố hóa trị III như Bo và Al vào đơn tinh thể silic.
Hình 1.8 Cấu tạo của pin mặt trời [2]
Pin mặt trời từ tinh thể silic chia thành 3 loại:
Pin mặt trời đơn tinh thể, được sản xuất bằng phương pháp nuôi tinh thể Czochralski, có hiệu suất đạt từ 11% đến 16% Tuy nhiên, giá thành của chúng khá cao do được cắt từ các thỏi hình ống, và các tấm đơn tinh thể này thường có các mặt trống ở góc nối các module.
Hệ thống pin mặt trời đa tinh thể được sản xuất từ silic nóng chảy và có giá thành thấp hơn so với pin đơn tinh thể, nhưng hiệu suất của chúng chỉ đạt từ 8% đến 11% Mặc dù hiệu suất kém hơn, nhưng pin đa tinh thể có khả năng tạo ra các tấm vuông lớn hơn, giúp che phủ bề mặt hiệu quả hơn và bù đắp cho sự thiếu hụt về hiệu suất.
Dải silic được tạo ra từ các miếng phim mỏng silic nóng chảy với cấu trúc tinh thể vô định hình Mặc dù loại dải silic này có hiệu suất thấp nhất, chỉ từ 3% đến 6%, nhưng nó lại là lựa chọn kinh tế nhất vì không cần phải cắt từ thỏi silic.
Hình 1.9 Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời [2]
Module pin năng lượng mặt trời bao gồm các pin mặt trời được bảo vệ bằng kính chống tia bức xạ và hư hại Các pin được sắp xếp thành dãy song song để tối ưu hóa năng lượng sản xuất Để duy trì hiệu suất, chất keo và chất nền cần có tính dẫn nhiệt, giúp giảm thiểu nhiệt năng sinh ra từ việc hấp thụ năng lượng hồng ngoại, vì nhiệt độ cao có thể làm giảm hiệu suất hoạt động của các pin.
Hình 1.10 Cấu tạo dạng Module [2]
1.3.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời a) Hiệu ứng quang điện
Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử và trong đó E1 >E2 (hình 1.11)
Hình 1.11 Các quá trình lượng tử trong hệ hai mức [2]
Khi điện tử ở mức năng lượng E2, nó sẽ hấp thụ một lượng tử ánh sáng có năng lượng hν = E1 - E2 khi bị chiếu sáng bằng ánh sáng thích hợp, từ đó chuyển lên mức năng lượng E1 Trong đó, h là hằng số Planck và ν là tần số ánh sáng.
Trong các vật rắn, tương tác mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài dẫn đến việc tách các mức năng lượng thành nhiều mức con gần nhau, hình thành vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp, được gọi là vùng hóa trị, bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng, với bờ trên có năng lượng E V Phía trên vùng hóa trị là vùng dẫn, nơi hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần.
Trong vật lý bán dẫn, 10 lượng là E C, và giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn tồn tại một vùng cấm có độ rộng năng lượng E g Trong vùng cấm này, không có mức năng lượng cho phép cho điện tử, như minh họa trong hình 1.12.
Hình 1.12 Các quá trình lượng tử trong hệ hai vùng năng lượng [2]
Khi vật rắn có cấu trúc năng lượng được chiếu sáng, photon với năng lượng hν sẽ được điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ, từ đó chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e- Quá trình này tạo ra một lỗ trống ở vùng hóa trị, được coi như hạt mang điện tích dương nguyên tố, ký hiệu là h+ Lỗ trống này có khả năng di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình sau:
Điện tử ở vùng hóa trị (e V) có thể hấp thụ năng lượng từ photon, dẫn đến việc chuyển lên vùng dẫn và tạo ra cặp điện tử - lỗ trống (e− và h+) Điều kiện cần thiết cho quá trình này là sự hấp thụ năng lượng đủ lớn để kích thích điện tử vượt qua rào cản năng lượng.
Trong công thức, c đại diện cho tốc độ ánh sáng, là bước sóng ánh sáng, E g là độ rộng của vùng cấm, E C là mức năng lượng đáy của vùng dẫn, và E V là mức năng lượng đỉnh của vùng hóa trị.
Từ đó có thể tính được bước sóng giới hạn C của ánh sáng để có thể tạo cặp điện tử - lỗ trống là:
Chú ý: Trong công thức này năng lượng được tính bằng đơn vị eV )
Trong quá trình “hồi phục”, các hạt dẫn bị kích thích điện tử và lỗ trống tham gia vào chuyển động tới bờ của các vùng năng lượng Cụ thể, điện tử e giải phóng năng lượng để di chuyển đến bờ vùng dẫn, trong khi lỗ trống h tiến tới bờ E V Quá trình này diễn ra trong một khoảng thời gian rất ngắn.
10 -12 ÷10 -1 giây và gây ra dao động mạng Năng lượng bị tổn hao trong quá trình hồi phục sẽ là h E g
Khi chiếu sáng vật rắn, các điện tử trong vùng hóa trị hấp thụ photon và chuyển lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống, từ đó sinh ra hiệu điện thế Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng quang điện trong, là nguyên lý hoạt động cơ bản của pin mặt trời.
Pin mặt trời được sản xuất từ vật liệu bán dẫn silic (Si) Khi photon tiếp xúc với silic, có thể xảy ra nhiều hiện tượng như tán xạ, truyền qua và hấp thụ Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động của pin mặt trời, chúng ta chỉ chú trọng đến việc hấp thụ photon của silic.
Hình 1 13 Cấu trúc của pin mặt trời silic và cơ chế tạo ra dòng điện [2]
Chấm đen là điện tử e - ; chấm trắng là lỗ trống h + Năng lượng của photon được hấp thụ bởi Si Điều này thường xảy ra
Khi năng lượng của photon vượt quá mức cần thiết để kích thích electron lên mức năng lượng cao hơn, photon sẽ được hấp thụ và truyền năng lượng cho các electron trong tinh thể Các electron này thường nằm ở lớp ngoài cùng và gắn bó với các nguyên tử lân cận, do đó không thể di chuyển tự do Khi electron được kích thích, nó có thể di chuyển trong bán dẫn, tạo ra "lỗ trống" do nguyên tử thiếu electron Những lỗ trống này cho phép các electron từ nguyên tử bên cạnh di chuyển vào lấp đầy, tạo ra một chuỗi chuyển động liên tục của lỗ trống trong mạch bán dẫn, từ đó sinh ra dòng điện Đây là nguyên lý cơ bản hoạt động của pin mặt trời.
Đặc trưng V-A và sơ đồ tương đương của pin mặt trời
1.4.1 Đặt trưng V-A của pin mặt trời
Phương trình đặc trưng V-A của pin mặt trời [1]
Dòng đoản mạch ISC và dòng bão hòa ngược IS là hai thành phần chính của đặc tuyến V-A của pin mặt trời.
Khi dòng điện tổng cộng trong pin bằng không (I=0), vẫn tồn tại một hiệu điện thế qua pin, được gọi là thế mạch hở Voc, là thành phần quan trọng trong đặc tuyến V-A.
Hình 1.14 Đặc trưng V-A của pin mặt trời [2]
1.4.2 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
Khi pin mặt trời được chiếu sáng, việc nối các bán dẫn p và n của chuyển tiếp p-n bằng dây dẫn sẽ tạo ra dòng năng lượng quang điện I Do đó, pin mặt trời có thể được xem như một nguồn dòng điện.
Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n hoạt động như một diode, nhưng khi phân cực ngược, vẫn có một dòng điện gọi là “dòng điện dò” do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn Để đo lường “dòng điện dò” này, người ta sử dụng đại lượng điện trở shun R sh Khi dòng quang điện chạy qua mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, và các lớp tiếp xúc, tạo thành một tổng điện trở R s nối tiếp, hay còn gọi là điện trở nội của pin mặt trời Do đó, khi pin mặt trời được chiếu sáng, sơ đồ tương đương của nó sẽ được thể hiện như trên.
Hình 1.15 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
Từ sơ đồ tương đương trên, áp dụng định luật Kiếchốp I ta có thể viết được phương trình đặc trưng sáng Volt-ampe của pin mặt trời như sau:
Trong đó: I : dòng quang điện(A/m2)
I sh : điện trở sơn(điện trở dò) ( / m 2 )
V OC : thế hở mạch PM: điểm làm việc công suất cực đại
+ Dòng đoản mạch là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn mạch ngoài Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng 0
+ Thế hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở mạch, khi đó R = , I = 0.
Hiệu suất của pin mặt trời
Trong pin mặt trời, năng suất bị ảnh hưởng chủ yếu bởi hai yếu tố: hiệu suất chuyển đổi từ photon ánh sáng sang dòng quang điện và khả năng tập trung cường độ ánh sáng chiếu vào pin.
1.5.1 Hiệu suất chuyển đổi từ quang năng sang điện năng của pin mặt trời a) Xác định hiệu suất chuyển đổi của pin
Hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời được tính bằng tỷ lệ giữa công suất điện đầu ra và công suất quang năng chiếu vào pin.
Trong đó: P m là công suất cực đại mà pin có thể đạt được ứng với Im và
V m , P in là công suất quang năng chiếu vào pin
Dòng đoản mạch (I_SC) và thế mạch hở (V_OC) là hai thông số quan trọng trong pin mặt trời Hệ số lấp đầy được định nghĩa là thước đo cho công suất tối đa mà pin mặt trời có thể đạt được, thể hiện mối quan hệ giữa I_SC và V_OC.
Hệ số lấp đầy thường đạt trong khoảng 0.7 đến 0.8
Khi đó, hiệu suất của pin có thể được tính như sau [8]: in
(1.11) b) Xác định công suất cực đại của pin
Công thức tính công suất của pin mặt trời:
Tại điểm công suất cực đại:
Từ công thức trên ta có giá trị dòng điện và điện áp tại điểm cực đại là:
Từ phương trình đã nêu, chúng ta có thể xác định điện thế cực đại Vm của pin, từ đó suy ra hiệu suất tối đa mà pin có thể đạt được.
Hình 1.16 Xác định công suất cực đại của pin
1.5.2 Làm tăng hiệu suất chuyển đổi từ quang năng sang điện năng a) Chọn vật liệu làm đế bán dẫn phù hợp
Chọn vật liệu bán dẫn với độ rộng vùng cấm nhỏ giúp tối ưu hóa khả năng hấp thụ ánh sáng Dòng đoản mạch I SC tăng khi độ rộng vùng cấm E g giảm, trong khi điện thế mạch hở Voc tăng khi E g tăng Giá trị hiệu suất tối ưu được ước tính cho vật liệu có độ rộng vùng cấm khoảng 1.4 eV Silic, với độ rộng vùng cấm khoảng 1.1 eV, có khả năng hấp thụ 80% phổ mặt trời, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho pin mặt trời Ngoài ra, điện cực kim loại trong bán dẫn là một tiếp xúc kim loại-bán dẫn quan trọng.
Có hai loại tiếp xúc chính trong điện tử: tiếp xúc Schottky và tiếp xúc Ohmic Tiếp giáp Schottky giữa kim loại và bán dẫn có đặc điểm I-V phi tuyến, và trong một số điều kiện, nó thể hiện tính chỉnh lưu Loại tiếp giáp này là nền tảng cho nhiều thiết bị bán dẫn và quang điện tử.
Tiếp xúc kim loại bán dẫn ohmic được đặc trưng bởi đường cong I-V tuyến tính và có điện trở tiếp xúc thấp, đóng vai trò quan trọng trong tất cả các linh kiện điện tử.
Hình 1.17 Tiếp xúc kim loại - bán dẫn loại n với m s [5]
Hình 1.17 mô tả tiếp xúc kim loại – bán dẫn loại n với công thoát của kim loại lớn hơn công thoát của bán dẫn Do công thoát của bán dẫn nhỏ hơn, dòng điện tử từ bán dẫn sẽ chuyển sang kim loại nhiều hơn, dẫn đến việc bán dẫn tích điện dương và kim loại tích điện âm Kết quả là xuất hiện một điện trường tiếp xúc hướng từ bán dẫn sang kim loại, làm giảm thế năng của bán dẫn từ mặt phân cách vào sâu bên trong, và nồng độ điện tử trong lớp giáp ranh phía bán dẫn giảm xuống Tiếp xúc này được gọi là tiếp xúc đóng.
Hình 1.18 Tiếp xúc kim loại - bán dẫn loại n với m s [5]
Hình 1.18 mô tả trường hợp tiếp xúc kim loại –bán dẫn loại n với s m
Trong trường hợp này, bán dẫn mang điện tích âm và kim loại mang điện tích dương, tạo ra trường tiếp xúc từ kim loại sang bán dẫn Thế năng điện tử trong bán dẫn tăng lên, dẫn đến các mức năng lượng cong xuống và nồng độ điện tử tại ranh giới tăng lên Sự gia tăng nồng độ điện tử này làm tăng độ dẫn của lớp tiếp xúc, được gọi là tiếp xúc mở.
Hình 1.19 Tiếp xúc kim loại bán dẫn loại p với m s [5]
Trong trường hợp tiếp xúc giữa kim loại và bán dẫn loại p với m < s, kim loại mang điện tích dương trong khi bán dẫn mang điện tích âm Điện trường tiếp xúc hướng từ kim loại sang bán dẫn, dẫn đến việc thế năng điện tử trong bán dẫn tăng lên và mức năng lượng cong xuống Kết quả là, trên lớp giáp ranh giới phía bán dẫn hình thành một lớp nghèo hạt dẫn, chủ yếu là lỗ trống Đây là dạng tiếp xúc đóng.
Hình 1.20 Tiếp xúc kim loại –bán dẫn loại p với m s [5]
Trong trường hợp tiếp xúc giữa kim loại và bán dẫn loại p với m s, kim loại mang điện tích âm trong khi bán dẫn mang điện tích dương Điện trường tiếp xúc sẽ hướng từ bán dẫn sang kim loại, dẫn đến việc thế năng điện tử trong bán dẫn giảm xuống.
19 mức năng lượng cong lên, trên lớp bán dẫn gần biên giới hình thành lớp giàu hạt dẫn cơ bản là lỗ trống Tiếp xúc là tiếp xúc mở
Công thoát của một số điện cực thường dùng:
Bảng 1.1 Công thoát một số điện cực thường dùng [1]
STT Nguyên tố Công thoát m
Điện cực trong suốt, được phủ lên mặt trước của pin mặt trời, không chỉ có chức năng làm điện cực mà còn cho phép ánh sáng truyền qua Chúng được làm từ vật liệu dẫn điện trong suốt (TCO) như ITO, ZnO, và SnO Một ưu điểm nổi bật của điện cực này là khả năng thụ động hoá trạng thái bề mặt của bán dẫn, đặc biệt là Si:H với các liên kết bất bão hoà Tuy nhiên, do hạn chế về tính dẫn điện của vật liệu này, người ta thường kết hợp với điện cực kim loại trong quá trình chế tạo pin mặt trời.
1.5.3 Các phương pháp làm tăng khả năng tập trung ánh sáng vào pin a) Sự hao hụt phổ năng lượng chiếu sáng
Hình 1.21 minh họa sự hao hụt năng lượng của phổ chiếu sáng mặt trời khi đến Trái đất Tại điểm Air Mass Zero (A0), giá trị phổ năng lượng mặt trời bên ngoài khí quyển đạt 1353 W/m² Khi ở điểm Air Mass One (A1), cường độ năng lượng chiếu thẳng góc xuống Trái đất giảm còn 925 W/m², tương ứng với mức hao hụt hơn 30% Tại điểm Air Mass Two (A2), khi mặt trời chiếu lệch góc 60 độ, năng lượng còn lại chỉ là 691 W/m², cho thấy mức hao hụt gần 50%.
Hình 1.21 Sự hao hụt năng lượng phổ chiếu sáng của mặt trời chiếu xuống
Trái đất [8] b) Các phương pháp tăng cường độ ánh sáng chiếu vào pin
Sử dụng hệ thấu kính lớn để tăng cường độ ánh sáng chiếu vào pin mặt trời giúp tập trung ánh sáng, từ đó tăng cường độ ánh sáng lên hàng trăm lần Dòng đoản mạch tăng theo tỉ lệ với cường độ ánh sáng tập trung, trong khi thế mạch hở không thay đổi nhiều Giải pháp này góp phần nâng cao hiệu suất của pin mặt trời một cách đáng kể Theo Hình 1.22, việc sử dụng thấu kính hội tụ gấp 1000 lần cường độ ánh sáng có thể tăng hiệu suất tối đa thêm khoảng 8%.
Hình 1.22 Sử dụng hệ thấu kính hội tụ làm tăng hiệu suất pin [8]
- Tạo bề mặt chống phản xạ
Lớp chống phản xạ giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng cho pin mặt trời, nâng cao hiệu suất hoạt động Bằng cách tạo bề mặt kim tự tháp thông qua quá trình ăn mòn theo hướng (100), ánh sáng chiếu vào sẽ bị phản xạ nhiều lần và được hấp thụ hiệu quả hơn Phương pháp này đã giảm thiểu 25-30% lượng ánh sáng bị phản xạ, và việc sử dụng lớp chống phản xạ có thể giảm thêm vài phần trăm lượng phản xạ.
Một số loại pin mặt trời
Hiện nay, đã có nhiều loại pin mặt trời được phát triển thành công, bao gồm pin mặt trời hữu cơ, pin mặt trời vô cơ và pin mặt trời cảm ứng chất màu nhạy sáng.
Hình 1.25 Các loại pin mặt trời hiện nay [8].
Ứng dụng của pin mặt trời
Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ, dễ lắp đặt ở bất kỳ đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt trong lĩnh vực hàng không vũ trụ Ứng dụng của pin mặt trời đang phát triển nhanh chóng, đặc biệt ở các nước phát triển Hiện nay, pin mặt trời được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị cá nhân như máy tính, đồng hồ và các đồ dùng hàng ngày Ngoài ra, pin mặt trời còn được dùng để cung cấp năng lượng cho ô tô, dần thay thế các nguồn năng lượng truyền thống.
23 lượng truyền thống, dùng thắp sáng đèn đường, đèn sân vườn và sử dụng trong từng hộ gia đình
Hình 1.26 Trạm vũ trụ ISS [2]
Hình 1.27 Robot tự hành trên sao hỏa và vệ tinh nhân tạo [2]
Giá thành thiết bị pin mặt trời hiện vẫn còn cao, khiến cho ở các nước đang phát triển, pin mặt trời chủ yếu chỉ có khả năng cung cấp năng lượng điện cho những vùng sâu, vùng xa mà chưa có lưới điện quốc gia.
Hình 1.28 Pin mặt trời được ứng dụng tại các hộ gia đình và trong nông nghiệp [2]
Tại Việt Nam, nhờ sự hỗ trợ của các tổ chức quốc tế, nhiều trạm điện năng lượng mặt trời đã được xây dựng để phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa tại các vùng sâu, vùng xa, đặc biệt là ở đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên Tuy nhiên, giá thành của pin mặt trời vẫn còn cao so với thu nhập của người dân, gây khó khăn trong việc tiếp cận nguồn năng lượng này.
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, con người đã tạo ra nhiều loại vật liệu tiên tiến, trong đó vật liệu bán dẫn nổi bật Đây là nguyên liệu chính để chế tạo các linh kiện điện tử và linh kiện quang điện tử Các linh kiện từ vật liệu bán dẫn có nhiều ưu điểm như thời gian phục vụ lâu dài, kích thước và trọng lượng nhỏ gọn, kết cấu đơn giản, an toàn và độ bền cơ giới tốt.
Trong chương này, chúng tôi đã khám phá hiệu ứng quang điện và cơ chế hoạt động của vật liệu bán dẫn trong chế tạo pin mặt trời Bài viết đã làm rõ cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời cơ bản, đồng thời xác định hiệu suất chuyển đổi quang năng sang điện năng Chúng tôi cũng đã tìm hiểu các giải pháp nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng của pin mặt trời.
Hiện nay, nhiều loại pin mặt trời hiệu suất cao đã được phát triển thành công Pin mặt trời có thiết kế gọn nhẹ, dễ dàng lắp đặt ở bất kỳ vị trí nào có ánh sáng mặt trời Ứng dụng của công nghệ này đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là tại các quốc gia phát triển.
Công nghệ chế tạo pin mặt trời
Vật liệu trong công nghệ sản xuất các loại pin mặt trời
Độ rộng vùng cấm của vật liệu chế tạo pin mặt trời là một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất biến đổi quang điện Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy, để đạt được hiệu suất tối thiểu 8%, độ rộng vùng cấm của vật liệu cần nằm trong khoảng từ 1 eV đến 1,5 eV.
Một số vật liệu dùng để chế tạo pin mặt trời [1]:
Bảng 2.1 Các vật liệu trong công nghệ chế tạo pin mặt trời [1]
STT Vật liệu Độ rộng vùng cấm Đặc điểm vùng cấm
Quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời từ Silic
2.2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ
Quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời từ Si được trình bày như hình 2.1 [7]
Hình 2.1 Sơ đồ khối quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời trên cơ sở Silic [7]
2.2.2 Chế tạo vật liệu bán dẫn a) Sơ lọc cát thạch anh để có silic có độ sạch kĩ thuật
Cát dùng để chế tạo silic (Si) cần phải là cát giàu thạch anh SiO2, với hàm lượng SiO2 khoảng 90% hoặc cao hơn Trong lò hồ quang ở nhiệt độ cao, SiO2 sẽ phản ứng với cacbon (C) để sản xuất silic có độ sạch kỹ thuật.
Silic, sau khi được làm sạch trong lò hồ quang, đạt độ sạch kĩ thuật với hàm lượng Si ≥ 98,99% Để nâng cao độ sạch của silic lên mức bán dẫn, người ta thường áp dụng quy trình tinh chế đặc biệt.
Quá trình trichlorosilan là phương pháp tiêu chuẩn để làm sạch silic có độ tinh khiết kỹ thuật Quy trình này bao gồm các bước cụ thể nhằm nâng cao chất lượng silic.
Trong quá trình sản xuất bột Si, người ta đổ axit clohydric lỏng vào thùng chứa bột Si có độ sạch kỹ thuật, đồng thời sử dụng chất xúc tác là đồng Phản ứng giữa Si và HCl diễn ra theo một phương trình hóa học cụ thể.
Phản ứng giữa silicon và axit clohydric (HCl) tạo ra trichlorosilane (SiHCl3) và khí hydro (H2) Sau đó, SiHCl3 được tạo ra dưới dạng hạt khô thông qua phương pháp chưng cất nhiệt, và cuối cùng, sản phẩm này được thu được bằng phương pháp bốc hơi.
Si có độ sạch bán dẫn:
Phản ứng SiHCl3 tạo ra silic và khí bốc hơi, dẫn đến việc thu được vật liệu đa tinh thể với các hạt đơn tinh thể silic nhỏ có hàm lượng silic bán dẫn đạt ≥ 99,99%.
Có thể sản xuất đơn tinh thể silicon dưới nhiều hình thức như thanh, tấm hoặc băng Các công nghệ phổ biến để tạo ra đơn tinh thể bao gồm công nghệ Czochralski, công nghệ vùng nổi và công nghệ trao đổi nhiệt Bài viết này sẽ giới thiệu chi tiết về các công nghệ này.
- Kỹ thuật tạo đơn tinh thể Si bằng phương pháp Czochralsski (CZ)
Kỹ thuật nuôi đơn tinh thể bằng phương pháp Czochralski (CZ) là một phương pháp quan trọng, trong đó dung dịch nóng chảy là vật liệu đa tinh thể chất lượng cao được giữ trong nồi thẳng đứng Bề mặt dung dịch nóng chảy luôn được duy trì ở nhiệt độ cao hơn điểm nóng chảy Mầm tinh thể được nhúng vào dung dịch và hạ xuống từ từ, trong khi nhiệt từ dung dịch nóng chảy truyền ngược lên mầm, làm lạnh bề mặt dung dịch và kích thích quá trình nuôi tinh thể Mầm tinh thể cũng được quay quanh trục của nó để tạo ra hình dạng mặt cắt ngang tròn cho tinh thể.
Hình 2.2 Sơ đồ chế tạo đơn tinh thể Si bằng phương pháp Czochralsk [1]
- Tạo thỏi đơn tinh thể Silic bằng kĩ thuật nóng chảy vùng (Float Zone)
Phương pháp nuôi tinh thể silic cực kỳ tinh khiết hiệu quả nhất là phương pháp nóng chảy vùng hay luyện vùng, trong đó phần nóng chảy được giữ hoàn toàn bởi phần rắn mà không cần nồi như phương pháp Czochralski Hệ thống luyện vùng bao gồm một thỏi vật liệu đa tinh thể được giữ trên giá đỡ, trong khi cuộn dây cao tần di chuyển dọc theo thỏi, tạo ra nhiệt độ đủ cao để làm nóng chảy vùng gần cuộn dây Để đảm bảo tinh thể phát triển theo định hướng nhất định, có thể sử dụng tinh thể mầm Hệ luyện vùng với tinh thể mầm ở phía trên cho phép nuôi thỏi tinh thể nhỏ hơn, trong khi sơ đồ mầm tinh thể ở phía dưới giúp nuôi thỏi tinh thể lớn hơn, chịu được tải trọng của toàn bộ thỏi silic.
Hình 2.3 Sơ đồ chế tạo tinh thể Si bằng kỹ thuật nóng chảy vùng [3]
- Tạo thỏi đơn tinh thể Silic bằng phương pháp Bridgeman
Trong phương pháp này, vật liệu được chứa trong thuyền thạch anh, có thể là vật liệu đa tinh thể chất lượng cao hoặc một lượng vật liệu đã được đo cẩn thận về thành phần các nguyên tố Tỷ lệ thành phần này quyết định việc tạo ra tinh thể hợp chất theo ý muốn sau khi nuôi Thuyền chứa vật liệu được đốt lên cho đến khi vật liệu nóng chảy và thấm vào mầm ở đầu thuyền Mầm này được sử dụng để làm mồi kết tinh từ dung dịch lỏng bằng cách hạ thấp từ từ nhiệt độ của thuyền từ phía mầm.
Hình 2.4 Nuôi tinh thể bằng phương pháp Bridgeman [1]
30 d) Tạo các phiến đơn tinh thể Silic từ thỏi Silic
Sau khi thu được thỏi bán dẫn đơn tinh thể, bước tiếp theo là cắt thỏi này thành các phiến có độ dày phù hợp Các phiến bán dẫn đơn tinh thể là nền tảng quan trọng cho công nghệ linh kiện bán dẫn, vi điện tử và linh kiện quang điện tử.
Phiến tinh thể bán dẫn silicon thường được cắt theo hướng nhất định để tạo ra các phiến tròn Sau khi cắt, các phiến này trải qua quá trình mài thô, mài tinh và đánh bóng để đạt được bề mặt hoàn thiện.
Có hai phương pháp điển hình tạo tiếp xúc bán dẫn p-n là khuếch tán nhiệt và cấy ion [7] a) Tạo lớp tiếp xúc p-n bằng phương pháp khuếch tán nhiệt
Để sản xuất silicon loại n từ các phiến silicon đơn tinh thể, người ta sử dụng tạp chất phốt pho (P), trong khi để tạo ra silicon loại p, tạp chất bo (B) được sử dụng Quy trình công nghệ pha tạp này có thể được thực hiện từ các vật liệu ban đầu ở dạng rắn, lỏng hoặc khí, như được mô tả trong các sơ đồ (hình 2.4).
Để tạo Si-n, người ta sử dụng muối rắn P2O5 kết hợp với các phiến Si trong lò ở nhiệt độ khoảng 950°C, khiến P2O5 bốc hơi Hỗn hợp khí nitơ và oxy (N2 + O2) theo tỷ lệ thích hợp được sử dụng làm khí mang, thổi qua hơi P2O5 tới các phiến Si nóng, cho phép các nguyên tử P xâm nhập vào bề mặt phiến Si, hình thành Si-n Nếu nguồn tạp chất là lỏng như POCl3, tỷ lệ khí mang sẽ là N2 : O2 = 3 : 1 Sau khoảng 10 phút khuếch tán nhiệt, lớp pha tạp có độ dày khoảng 0,25 μm sẽ được hình thành.
Hình 2.5 Tạo bán dẫn n-Si bằng phương pháp khuếch tán nhiệt [7]
Hình 2.6 Tạo bán dẫn p-Si bằng phương pháp khuếch tán nhiệt [7]
Sự tạo lớp tiếp xúc p-n tuân theo định luật khuếch tán Pick, trong đó các nguyên tử khuếch tán từ khu vực có nồng độ cao sang khu vực có nồng độ thấp Tốc độ và độ sâu khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian khuếch tán Để thực hiện quá trình này, người ta sử dụng một tấm đế silicon (Si) được pha tạp với bo (B) ở nồng độ 10^16 nguyên tử/cm³, sau đó phủ lên bề mặt một lớp photpho (P) và tiến hành khuếch tán trong buồng với nhiệt độ khoảng 900 đến 950 độ C.
Một số xu hướng công nghệ mới trong sản xuất pin mặt trời
Silic hiện đang là vật liệu phổ biến nhất trong sản xuất pin mặt trời, nhưng công nghệ sản xuất vẫn gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là về giá thành Một trong những giải pháp tiềm năng để giảm chi phí là công nghệ pin mặt trời màng mỏng vô định hình và công nghệ pin mặt trời chất màu nhạy sáng.
Hiện nay, pin mặt trời thế hệ mới loại màng mỏng chỉ chiếm dưới 10% thị phần pin quang điện Sản lượng điện từ mặt trời vẫn còn thấp so với nhu cầu năng lượng toàn cầu Do đó, cần có những hướng đi mới để phát triển nguồn năng lượng tái tạo này.
36 nghiên cứu mới về pin mặt trời thế hệ mới loại màng mỏng là rất cấp thiết và có tính khả thi
Một số vật liệu chế tạo pin mặt trời màng mỏng bao gồm CdTE, CIGS (Đồng, Indium, Galium, Selenium) và Silicon vô định hình, nano tinh thể Những chất bán dẫn này có vùng cấm thẳng và lớp bán dẫn mỏng hơn (