Hóa chất sử dụng trong pin mặt trời

Cadmium

Cadmium là thành phần chính của tế bào cadmium Telluride (CdTe), một loại tấm quang điện, biến ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng. Tế bào CdTe là loại lớn nhất hiện có và là sản phẩm thương mại phân tử mỏng được sử dụng rộng rãi nhất. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào các tấm này, nó sẽ cung cấp năng lượng cho các electron trong các vật liệu bề mặt để tạo ra dòng điện.

Mặc dù nó được phân loại là kim loại đất tự nhiên, cadmium có thể rất độc nếu hít phải hoặc ăn phải. Tương tác với hóa chất này có thể dẫn đến tổn thương ở phổi và các cơ quan nội tạng. Một nhược điểm khác là chi phí và tính kém hiệu quả của nó – chỉ khoảng một nửa lượng cadmium được sử dụng trở thành sản phẩm cuối cùng của màng được sử dụng trong tế bào.

Silicon

Silicon được tìm thấy trong các tấm pin năng lượng mặt trời đã được xử lý đến mức gần như hoàn toàn tinh khiết – được gọi là cấp luyện kim. Sau khi silica được khai thác, nó trải qua một số quy trình hóa học và công nghiệp để loại bỏ hầu hết các tạp chất và tái cấu trúc thành phần hóa học thành một thứ cung cấp cấu trúc cần thiết cho pin mặt trời.

Tế bào làm từ silicon là một loại tấm pin quang điện khác trên thị trường, nơi chúng đã trở nên nổi tiếng nhưng gần đây đã giảm sử dụng. Những loại tế bào này cung cấp hiệu quả năng lượng cao hơn trên mỗi kích thước tế bào, khiến chúng trở nên lý tưởng cho những khu vực có không gian cao.

Silicon và silica rất dễ nổ (và cũng được biết là đôi khi tự bốc cháy), độc hại và đôi khi rất lãng phí – đôi khi hơn một nửa bị mất trong quá trình sản xuất.

Axit hydrochloric

Như đã đề cập trước đây, silicon đã qua xử lý được sử dụng trong pin mặt trời gần như hoàn toàn tinh khiết – đôi khi có độ tinh khiết lên đến 99,6%. Nhưng điều đó thường không đủ tinh khiết để sử dụng hiệu quả. Trong những trường hợp này, silicon phải trải qua quá trình xử lý hóa học nhiều hơn, nơi nó được trộn với đồng và axit clohydric.

Được tạo ra khi hydro clorua hòa tan trong nước, nó có tính độc, ăn mòn và phản ứng mạnh. Khi silicon tiếp xúc với hỗn hợp axit và đồng, nó tạo ra khí trichlorosilane, sau đó được biến thành silicon nóng chảy có thể được tạo thành pin mặt trời.

Tuy nhiên, điều quan trọng cần nhớ là ngay cả khi bao gồm các hóa chất này và các hóa chất khác, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng rất hiếm không tạo ra khí thải độc hại hoặc chất thải độc hại. Và mặc dù nó có thể không phải là một phương trình tổng bằng 0 từ đầu vào và đầu ra của hóa học, nhưng nó gần hơn nhiều so với các dạng năng lượng khác mà chúng ta có ngày nay.

Nguyên tắc hoạt động

Pin mặt trời được làm từ hai loại chất bán dẫn, được gọi là silicon loại p và silicon loại n. Silicon loại p (p-type silicone) được tạo ra bằng cách thêm vào các nguyên tử — chẳng hạn như boron hoặc gali — có ít điện tử hơn ở mức năng lượng bên ngoài của chúng so với silicon. Bởi vì boron có ít hơn một điện tử cần thiết để tạo liên kết với các nguyên tử silic xung quanh, một khoảng trống hay “lỗ trống” được tạo ra. (Xem cấu trúc silicon loại p tại đây)

Silicon loại n (n-type silicone) được tạo ra bằng cách bao gồm các nguyên tử có nhiều electron hơn ở lớp ngoài cùng của silicon, chẳng hạn như phốt pho. Phốt pho có năm electron ở mức năng lượng bên ngoài của nó, không phải bốn. Nó liên kết với các nguyên tử láng giềng silicon của nó, nhưng một electron không tham gia vào liên kết. Thay vào đó, nó có thể tự do di chuyển bên trong cấu trúc silicon. (Xem cấu trúc silicon loại n tại đây)

Pin mặt trời bao gồm một lớp silicon loại p được đặt bên cạnh một lớp silicon loại n. Ở lớp loại n thừa electron và ở lớp loại p thừa lỗ trống mang điện dương (là những chỗ trống do thiếu electron hóa trị). Gần chỗ tiếp giáp của hai lớp, các electron ở một bên của lớp tiếp giáp (lớp loại n) di chuyển vào các lỗ trống ở phía bên kia của lớp tiếp xúc (lớp loại p). Điều này tạo ra một khu vực xung quanh đường giao nhau, được gọi là vùng suy giảm (depletion zone), trong đó các điện tử lấp đầy các lỗ trống. Xem hình bên dưới để hiểu rõ hơn:

Biểu diễn giản đồ của pin mặt trời, cho thấy các lớp loại n và loại p, với cái nhìn cận cảnh về vùng suy giảm xung quanh phần tiếp giáp giữa các lớp loại n và loại p.
Anthony Fernandez

Khi tất cả các lỗ trống được lấp đầy bởi các điện tử trong vùng suy giảm, thì mặt loại p của vùng suy giảm (nơi ban đầu xuất hiện các lỗ trống) bây giờ chứa các ion mang điện tích âm và mặt loại n của vùng suy giảm (nơi có các điện tử) bây giờ chứa các ion mang điện tích dương. Sự có mặt của các ion mang điện trái dấu này tạo ra điện trường bên trong ngăn cản các điện tử ở lớp n lấp đầy các lỗ trống ở lớp p.

Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào pin mặt trời, các điện tử trong silicon bị đẩy ra, dẫn đến hình thành các “lỗ” – chỗ trống do các điện tử thoát ra để lại. Nếu điều này xảy ra trong điện trường, thì điện trường sẽ chuyển các electron đến lớp loại n và các lỗ trống đến lớp loại p. Nếu bạn nối các lớp loại n và loại p bằng một sợi dây kim loại, các electron sẽ đi từ lớp loại n sang lớp loại p bằng cách băng qua vùng suy giảm và sau đó đi qua dây bên ngoài của n- lớp loại, tạo ra một dòng điện.

Cách xử lý pin mặt trời khi hết hạn sử dụng

Với tuổi thọ trung bình là khoảng 20 năm, nhiều tấm pin năng lượng mặt trời lắp đặt từ đầu những năm 2000 ở các nước giờ đã sắp hết hạn sử dụng. Câu hỏi đặt ra là chúng sẽ trở thành rác thải gây nguy hiểm cho môi trường hay sẽ được tái chế và trở thành cơ hội tốt cho những ngành khác?

Sau đây là các quy trình tái chế pin mặt trời:

Các quy trình tái chế pin mặt trời. Nguồn Md. Shahariar Chowdhury

Để hiểu rõ thêm về quy trình tái chế pin mặt trời, bạn hãy tham khảo bài viết khác tại đây.

Bài viết đến đây là hết rồi. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai. Lần sau nếu có ai hỏi về chủ đề này thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé!

Tham khảo Madehow, Wikipedia, Energy, NOAHtech, Science, Solect, ACSMd. Shahariar Chowdhury.