Nguồn: www.energy.gov
Khi ánh sáng chiếu vào một tế bào quang điện (PV) - còn được gọi là pin mặt trời - ánh sáng đó có thể được phản xạ, hấp thụ hoặc đi qua tế bào. Tế bào PV bao gồm vật liệu bán dẫn; "bán" có nghĩa là nó có thể dẫn điện tốt hơn so với chất cách điện nhưng không tốt như một dây dẫn tốt như kim loại. Có một số vật liệu bán dẫn khác nhau được sử dụng trong các tế bào PV.
Khi chất bán dẫn tiếp xúc với ánh sáng, nó hấp thụ năng lượng của ánh sáng và chuyển nó đến các hạt tích điện âm trong vật liệu được gọi là electron. Năng lượng bổ sung này cho phép các electron chảy qua vật liệu dưới dạng dòng điện. Dòng điện này được chiết xuất thông qua các tiếp điểm kim loại dẫn điện - các đường giống như lưới trên pin mặt trời - và sau đó có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho ngôi nhà của bạn và phần còn lại của lưới điện.
Hiệu quả của tế bào PV chỉ đơn giản là lượng năng lượng điện ra khỏi tế bào so với năng lượng từ ánh sáng chiếu vào nó, điều này cho thấy tế bào hiệu quả như thế nào trong việc chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Lượng điện sản xuất từ các tế bào PV phụ thuộc vào các đặc tính (chẳng hạn như cường độ và bước sóng) của ánh sáng có sẵn và nhiều thuộc tính hiệu suất của tế bào.
Một tính chất quan trọng của chất bán dẫn PV là bandgap, cho biết bước sóng ánh sáng nào vật liệu có thể hấp thụ và chuyển đổi thành năng lượng điện. Nếu bandgap của chất bán dẫn phù hợp với bước sóng ánh sáng chiếu vào tế bào PV, thì tế bào đó có thể sử dụng hiệu quả tất cả năng lượng có sẵn.
Tìm hiểu thêm bên dưới về các vật liệu bán dẫn được sử dụng phổ biến nhất cho các tế bào PV.
silic
Silicon, cho đến nay, là vật liệu bán dẫn phổ biến nhất được sử dụng trong pin mặt trời, chiếm khoảng 95% các mô-đun được bán ngày nay. Nó cũng là vật liệu phong phú thứ hai trên Trái đất (sau oxy) và chất bán dẫn phổ biến nhất được sử dụng trong chip máy tính. Các tế bào silicon tinh thể được làm bằng các nguyên tử silicon được kết nối với nhau để tạo thành một mạng tinh thể. Mạng này cung cấp một cấu trúc có tổ chức giúp chuyển đổi ánh sáng thành điện hiệu quả hơn.
Pin mặt trời được làm từ silicon hiện cung cấp sự kết hợp của hiệu quả cao, chi phí thấp và tuổi thọ dài. Các mô-đun dự kiến sẽ tồn tại từ 25 năm trở lên, vẫn sản xuất hơn 80% công suất ban đầu của chúng sau thời gian này.
QUANG ĐIỆN MÀNG MỎNG
Một pin mặt trời màng mỏng được tạo ra bằng cách lắng đọng một hoặc nhiều lớp vật liệu PV mỏng trên 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 gửi 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 các tế bào CdTe có thể được thực hiện bằng các quy trình sản xuất chi phí thấp. Mặc dù điều này làm cho chúng trở thành một sự thay thế hiệu quả về chi phí, hiệu quả của chúng vẫn không cao bằng silicon. Các tế bào CIGS có đặc tính tối ưu cho vật liệu PV và hiệu quả cao trong phòng thí nghiệm, nhưng sự phức tạp liên quan đến việc kết hợp bốn yếu tố làm cho quá trình chuyển đổi từ phòng thí nghiệm sang sản xuất trở nên khó khăn hơn. Cả CdTe và CIGS đều yêu cầu bảo vệ nhiều hơn silicon để cho phép hoạt động lâu dài ngoài trời.
QUANG ĐIỆN PEROVSKITE
Pin mặt trời Perovskit là một loại tế bào màng mỏng và được đặt theo cấu trúc tinh thể đặc trưng của chúng. Các tế bào Perovskit được xây dựng với các lớp vật liệu được in, tráng hoặc hút chân không vào một lớp hỗ trợ cơ bản, được gọi làchất nền.Chúng thường dễ lắp ráp và có thể đạt hiệu quả tương tự như silicon tinh thể. Trong phòng thí nghiệm, hiệu quả pin mặt trời perovskit đã được cải thiện nhanh hơn bất kỳ vật liệu PV nào khác, từ 3% năm 2009 lên hơn 25% vào năm 2020. Để khả thi về mặt thương mại, các tế bào PV perovskit phải trở nên đủ ổn định để tồn tại ngoài trời 20 năm, vì vậy các nhà nghiên cứu đang làm việc để làm cho chúng bền hơn và phát triển các kỹ thuật sản xuất quy mô lớn, chi phí thấp.
QUANG ĐIỆN HỮU CƠ
PV hữu cơ, hoặc OPV, các tế bào bao gồm các hợp chất giàu carbon (hữu cơ) và có thể được điều chỉnh để tăng cường chức năng cụ thể của tế bào PV, chẳng hạn như bandgap, độ trong suốt hoặc màu sắc. Các tế bào OPV hiện chỉ hiệu quả khoảng một nửa so với các tế bào silicon tinh thể và có tuổi thọ hoạt động ngắn hơn, nhưng có thể ít tốn kém hơn để sản xuất với khối lượng lớn. Chúng cũng có thể được áp dụng cho nhiều loại vật liệu hỗ trợ, chẳng hạn như nhựa linh hoạt, làm cho OPV có thể phục vụ nhiều mục đích sử dụng khác nhau.
CHẤM LƯỢNG TỬ
Các tế bào năng lượng mặt trời chấm lượng tử dẫn điện qua các hạt nhỏ của các vật liệu bán dẫn khác nhau chỉ rộng vài nanomet, được gọi là chấm lượng tử. Các chấm lượng tử cung cấp một cách mới để xử lý vật liệu bán dẫn, nhưng rất khó để tạo ra một kết nối điện giữa chúng, vì vậy chúng hiện không hiệu quả lắm. Tuy nhiên, chúng rất dễ biến thành pin mặt trời. Chúng có thể được lắng đọng vào chất nền bằng phương pháp spin-coat, bình xịt hoặc máy in cuộn cuộn như những máy in được sử dụng để in báo.
Các chấm lượng tử có nhiều kích cỡ khác nhau và bandgap của chúng có thể tùy chỉnh, cho phép chúng thu thập ánh sáng khó chụp và được ghép nối với các chất bán dẫn khác, như perovskit, để tối ưu hóa hiệu suất của pin mặt trời đa lệnh (nhiều hơn về những thứ bên dưới).
QUANG ĐIỆN ĐA THUẬT
Một chiến lược khác để cải thiện hiệu quả tế bào PV là xếp lớp nhiều chất bán dẫn để tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời đa quân đội. Các tế bào này về cơ bản là chồng các vật liệu bán dẫn khác nhau, trái ngược với các tế bào đơn nối, chỉ có một chất bán dẫn. Mỗi lớp có một bandgap khác nhau, vì vậy mỗi lớp hấp thụ một phần khác nhau của phổ mặt trời, tận dụng ánh sáng mặt trời nhiều hơn so với các tế bào một ngã ba. Các tế bào năng lượng mặt trời đa chức năng có thể đạt đến mức hiệu quả kỷ lục vì ánh sáng không được hấp thụ bởi lớp bán dẫn đầu tiên được chụp bởi một lớp bên dưới nó.
Trong khi tất cả các tế bào năng lượng mặt trời có nhiều hơn một bandgap là pin mặt trời đa mạc, một tế bào năng lượng mặt trời với chính xác hai bandgaps được gọi là một tế bào năng lượng mặt trời song song. Các tế bào năng lượng mặt trời đa kết hợp chất bán dẫn từ cột III và V trong bảng tuần hoàn được gọi là pin mặt trời III-V đa quân đội.
Pin mặt trời đa quân đội đã chứng minh hiệu quả cao hơn 45%, nhưng chúng tốn kém và khó sản xuất, vì vậy chúng được dành riêng cho khám phá không gian. Quân đội đang sử dụng pin mặt trời III-V trong máy bay không người lái và các nhà nghiên cứu đang khám phá các mục đích sử dụng khác cho chúng, nơi hiệu quả cao là chìa khóa.
QUANG ĐIỆN NỒNG ĐỘ
PV nồng độ, còn được gọi là CPV, tập trung ánh sáng mặt trời vào pin mặt trời bằng cách sử dụng gương hoặc ống 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 khi ánh sáng trở nên tập trung hơn, do đó hiệu quả tổng thể cao nhất thu được với các tế bào và mô-đun CPV. Tuy nhiên, vật liệu đắt tiền hơn, kỹ thuật sản xuất và khả năng theo dõi chuyển động của mặt trời là cần thiết, vì vậy việc chứng minh lợi thế chi phí cần thiết so với các mô-đun silicon khối lượng lớn ngày nay đã trở thành thách thức.
