Tế bào quang điện (solar cells)

Tế bào quang điện (solar cells) là gì

Tế bào quang điện (solar cells) – là phần tử bán dẫn được làm từ tinh thể silic tinh khiết, có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thông qua hiệu ứng quang điện thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.

   

I. Chất bán dẫn

Là chất mà trong các nguyên tử của nó hoặc là có dư thừa electron (bán dẫn loại “n”), hoặc là không đủ các electron (bán dẫn loại “p”)

 

1.Cấu tạo

Bán dẫn thuần không được pha với các chất khác có nồng độ điện tử ( e ) và nồng độ lỗ trống ( các ion dương ) bằng nhau

Phần lớn các tế bào PV được chế tạo bằng cách sử dụng tinh thể silic tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử Si để tiếp xúc p – n, người ta phải pha thêm vào một ít nguyên tử khác loại, gọi là pha tạp để tạo thành 2 lớp bán dẫn bao gồm:

a.Bán dẫn loại n (negatif – âm)

Nguyên tử Si có 4 electron ở vành ngoài, cùng dùng để liên kết với bốn nguyên tử Si gần đó (cấu trúc kiểu như kim cương).

Nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử phôt-pho P có 5 electron ở vành ngoài, electron thừa ra không dùng.

Người ta sẽ pha lượng tạp chất này lớn hơn lượng Si,và khi lượng tạp chất càng lớn, mật độ electron tự do càng cao

Hay nói cách khác mật độ electron lớn hơn mật độ lỗ trống, tức là bán dẫn loại n (negatif – âm)

Trong vật liệu bán dẫn loại n, mặc dù số lượng electron tự do nhiều hơn hẳn so với lỗ trống nhưng lỗ trống vẫn tồn tại trong bán dẫn

Lớp thứ nhất này là lớp chất bán dẫn n-type. Đây là lớp đầu tiên (trên cùng) của tấm pin năng lượng mặt trời, gọi là lớp phát xạ.

b.Bán dẫn loại p (positif -dương)

Ngược lại nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử bo B có 3 electron ở vành ngoài, tức là thiếu một electron mới đủ tạo thành 4 mối liên kết nên có thể nói là tạo thành lỗ trống (hole). Vì là thiếu electron nên lỗ trống mạng điện dương, bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện lỗ trống, tức là bán dẫn loại p (positif -dương)

Lớp thứ hai là lớp bán dẫn p-type được gọi là lớp nền.

=> Vậy trên cơ sở bán dẫn tinh khiết có thể pha tạp để trở thành có lớp là bán dẫn loại n, có lớp bán dẫn loại p, lớp tiếp giáp giữa hai loạị chính là lớp chuyển tiếp p  – n

c.Lớp tiếp xúc pn- Vùng nghèo

Ở chỗ tiếp xúc p  – n này một ít electron ở bán dẫn loại n chạy sang bán dẫn loại p, lấp vào lỗ trống thiếu electron ở đó.

Kết quả là ở lớp tiếp xúc p-n có một vùng thiếu electron cũng thiếu cả lỗ trống, người ta gọi đó là vùng nghèo.

Sự dịch chuyển điện tử để lấp vào lỗ trống tạo ra vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp xúc p – n, đối với Si vào cỡ 0,6V đến 0,7V. Đây là hiệu thế sinh ra ở chỗ tiếp xúc không tạo ra dòng điện được.

d.Năng lượng của photon ánh sáng phá vỡ liên kết

Bề mặt của tế bào quang điện được phủ một lớp chống phản xạ để tránh làm mất lượng ánh sáng mặt trời khi chiếu vào.

Khi đưa phiến bán dẫn đã tạo lớp tiếp xúc p – n phơi cho ánh sáng mặt trời chiếu vào, thì năng lượng của photon của ánh sáng mặt trời có thể kích thích làm cho điện tử đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử. Đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu electron, người ta gọi là photon đến tạo ra cặp electron – lỗ trống.

Nếu cặp electron – lỗ trống này sinh ra  ở gần chỗ có tiếp p  – n thì hiệu thế tiếp xúc sẽ đẩy electron về một bên (bên bán dẫn n)

Đẩy lỗ trống về một bên (bên bán dẫn p). Nhưng cơ bản là electron đã nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn ở mức cao hơn, có thể chuyển động tự do. Càng có nhiều photon chiếu đến càng có nhiều cơ hội để electron nhảy lên miền dẫn.

e. Dòng điện năng lượng mặt trời sinh ra

Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua một phụ tải như lèn LED chẳng hạn) thì electron từ miền dẫn của bán dẫn loại n sẽ qua mạch ngoài, chuyển đến bán dẫn loại p lấp vào các lỗ trống.

Đó là lúc dòng điện pin mặt trời được sinh ra

f. Liên kết busbar

Đa số các nhà sản xuất Pin năng lượng mặt trời hàn các liên kết bằng kim loại bạc, để dẫn điện giữa các tế bào quang điện hay còn gọi là liên kết Busbar bên trên các solar cell (tế bào quang 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 các tế bào quang điện này.

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).

 

Các loại tế bào quang điện

Trên thị trường hiện nay, tấm pin năng lượng gồm 2 loại phổ biến, sử dụng 2 loại tế bào quang điện Mono và Poly

Mono

Các tế bào quang điện của tấm pin Mono được làm bằng silicon đơn tinh thể, có độ tinh khiết cao, thường có giá trị đắt hơn so với các tế bào khác. Các góc của các tế bào nhìn giống như bị cắt bớt, tạo thành hình bát giác. Tấm pin năng lượng gồm nhiều tế bào mono đơn hiển thị như một hình có hoa văn kim cương nhỏ màu trắng, có công dụng tối ưu hóa hiệu suất và giảm các chi phí thành phần.

Ưu điểm của loại tế bào quang điện này khi tạo thành tấm pin là có hiệu suất sử dụng cao, thời gian sử dụng dài. Đặc biệt hoạt động tốt ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu.

Nhược điểm của tấm pin năng lượng mặt trời Mono chính là có giá thành khá đắt so với các tấm pin khác.

Poly

Tế bào quang điện của tấm pin Poly được làm bằng các tế bào silicon đa tinh thể, được chế tạo từ khối silicon vuông đúc nóng chảy, được làm mát và làm cứng lại một cách cẩn thận.

Đây là loại tế bào được sử dụng phổ biến, nó có mức độ giãn nở và chịu được nhiệt độ cao cùng quá trình sản xuất đơn giản, ít tốn kém, vì thế nên giá thành cũng thấp hơn so với dòng pin Mono. Vì có giá thành thấp nên tế bào quang điện Poly có hiệu suất kém hơn rất nhiều so với tế bào Mono.

Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.

Công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các lọai trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module.