Ngày nay, điện mặt trời ngày càng được khuyến khích sử dụng khá nhiều để thay thế những nguồn điện khác như thủy điện, nhiệt điện, than, điện gió…Bạn chỉ cần tốn một chi phí kha khá để có thể mua những tấm pin mặt trời và lắp đặt tại nhà. Nhưng khi nói về hóa học của chúng thì không phải ai cũng biết. Vì thế, trong bai viết này chúng ta sẽ xem xét sơ bộ về hóa học của các tấm pin mặt trời và một vài khiến cạnh xung quanh. Bạn hãy giành ít thời gian để tìm hiểu nhé!

Đôi nét

Theo wikipedia thì pin mặt trời, pin năng lượng mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) – là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời). 

Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo. Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng (ví dụ cảm biến hồng ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng.

Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:

  1. Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn.
  2. Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction). Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời. 
  3. Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện. 

Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế. Do giá thành còn đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo Trái Đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước…

Lịch sử của pin mặt trời

Khi nghiên cứu về điện bắt đầu và các loại pin đơn giản được chế tạo và nghiên cứu, nghiên cứu về điện mặt trời đã phát triển nhanh chóng đáng kinh ngạc. Ngay từ năm 1839, Antoine-Cesar Becquerel đã cho tiếp xúc với một loại pin hóa học ra ánh sáng mặt trời để xem nó tạo ra điện áp. Sự chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện đầu tiên này hiệu quả một phần trăm. Đó là, một phần trăm ánh sáng mặt trời chiếu vào đã được chuyển đổi thành điện năng. 

Willoughby Smith năm 1873 khám phá ra rằng selen nhạy cảm với ánh sáng; năm 1877 Adams và Day ghi nhận rằng selen, khi tiếp xúc với ánh sáng, tạo ra một dòng điện. Charles Fritts, vào những năm 1880, cũng sử dụng selen phủ vàng để chế tạo pin mặt trời đầu tiên, một lần nữa chỉ có hiệu suất một phần trăm. Tuy nhiên, Fritts coi các tế bào của mình là một cuộc cách mạng. Ông hình dung năng lượng mặt trời miễn phí là một phương tiện phân quyền, dự đoán rằng các tế bào năng lượng mặt trời sẽ thay thế các nhà máy điện bằng cách cung cấp năng lượng riêng lẻ cho các khu dân cư.

Với lời giải thích của Albert Einstein vào năm 1905 về hiệu ứng quang điện – kim loại hấp thụ năng lượng từ ánh sáng và sẽ giữ lại năng lượng đó cho đến khi có quá nhiều ánh sáng chiếu vào nó – hy vọng lại tăng vọt rằng điện mặt trời ở hiệu suất cao hơn sẽ trở nên khả thi. Tuy nhiên, có rất ít tiến bộ đã đạt được cho đến khi nghiên cứu về điốt và bóng bán dẫn mang lại kiến ​​thức cần thiết cho các nhà khoa học của Bell là Gordon Pearson, Darryl Chapin và Cal Fuller để sản xuất pin mặt trời silicon có hiệu suất 4% vào năm 1954.

Công việc tiếp theo đã mang lại hiệu quả của tế bào lên đến 15 phần trăm. Pin mặt trời lần đầu tiên được sử dụng ở vùng nông thôn và thành phố biệt lập của Americus, Georgia làm nguồn điện cho hệ thống chuyển tiếp điện thoại, nơi nó đã được sử dụng thành công trong nhiều năm.

Các vật liệu pin mặt trời

Có nhiều loại vật liệu bán dẫn khác nhau được sử dụng trong pin mặt trời. Tìm hiểu thêm bên dưới về các vật liệu được sử dụng phổ biến nhất.

SILICON 

Cho đến nay, silicon là vật liệu phổ biến nhất được sử dụng trong pin mặt trời, chiếm khoảng 90% các mô-đun được bán hiện nay. Nó cũng là vật liệu phong phú thứ hai trên Trái đất (sau oxy) và là chất bán dẫn phổ biến nhất được sử dụng trong chip máy tính. Tế bào silicon tinh thể được tạo ra từ các nguyên tử silicon kết nối với nhau để tạo thành mạng tinh thể. Mạng tinh thể này cung cấp một cấu trúc có tổ chức giúp chuyển đổi ánh sáng thành điện năng hiệu quả hơn.

Các tế bào năng lượng mặt trời làm từ silicon hiện đang mang lại sự kết hợp giữa hiệu quả cao, chi phí thấp và tuổi thọ lâu dài. Các mô-đun dự kiến ​​sẽ tồn tại trong 25 năm hoặc hơn, vẫn tạo ra hơn 80% sức mạnh ban đầu của chúng sau thời gian này.

QUANG ĐIỆN PHIM MỎNG 

Pin mặt trời màng mỏng được tạo ra bằng cách đặt một hoặc nhiều lớp mỏng của vật liệu PV (viết tắt của từ photovoltaics) trên một vật liệu hỗ trợ như thủy tinh, nhựa hoặc kim loại. Có hai loại chất bán dẫn PV màng mỏng chính trên thị trường hiện nay: cadmium telluride (CdTe) và đồng indium gallium diselenide (CIGS). Cả hai vật liệu có thể được lắng trực tiếp lên mặt trước hoặc mặt sau của bề mặt mô-đun. 

CdTe là vật liệu PV phổ biến thứ hai sau silicon và cho phép các quy trình sản xuất chi phí thấp. Mặc dù điều này làm cho chúng trở thành một giải pháp thay thế hiệu quả về chi phí, nhưng hiệu quả của chúng vẫn không hoàn toàn cao. Tế bào CIGS có các đặc tính điện tử và quang học thuận lợi, mặc dù sự phức tạp liên quan đến việc kết hợp bốn yếu tố khiến quá trình chuyển đổi từ phòng thí nghiệm sang sản xuất trở nên khó khăn. Cả CdTe và CIGS đều yêu cầu bảo vệ nhiều hơn silicon để có thể hoạt động lâu dài ở ngoài trời.

QUANG ĐIỆN HỮU CƠ 

PV hữu cơ, hoặc OPV (organic photovoltaics), tế bào được cấu tạo từ các polyme giàu carbon và có thể được điều chỉnh để tăng cường một chức năng cụ thể của tế bào, chẳng hạn như độ nhạy với một loại ánh sáng nhất định. Công nghệ này có tiềm năng lý thuyết để cung cấp điện với chi phí thấp hơn so với công nghệ silicon hoặc màng mỏng. Các tế bào OPV chỉ hiệu quả bằng một nửa so với silicon tinh thể và có thời gian hoạt động ngắn hơn, nhưng có thể ít tốn kém hơn khi sản xuất với khối lượng lớn. Chúng cũng có thể được áp dụng cho nhiều loại vật liệu hỗ trợ, làm cho OPV có thể phục vụ nhiều mục đích sử dụng khác nhau. 

QUANG ĐIỆN tập trung

PV tập trung, còn được gọi là CPV, tập trung ánh sáng mặt trời vào pin mặt trời bằng cách sử dụng gương hoặc thấu kính. Bằng cách tập trung ánh sáng mặt trời vào một khu vực nhỏ, cần ít vật liệu PV hơn. Vật liệu PV trở nên hiệu quả hơn trong việc chuyển đổi năng lượng khi ánh sáng trở nên tập trung hơn, do đó, hiệu suất tổng thể cao nhất thu được với các tế bào và mô-đun CPV. Tuy nhiên, các vật liệu đắt tiền hơn, kỹ thuật sản xuất và theo dõi được yêu cầu, vì vậy việc chứng minh lợi thế chi phí cần thiết so với các mô-đun silicon khối lượng lớn ngày nay đã trở nên khó khăn.

Xem tiếp trang sau…