Tấm pin là một trong những thành phần chính quan trọng, giúp chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành nguồn điện cung cấp cho hệ thống điện, các thiết bị sử dụng công nghệ mặt trời. Pin mặt trời từ khi phát minh tới nay trải qua nhiều cải tiến khác nhau để có thể cải thiện nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Cùng 365 Energy tìm hiểu quy trình sản xuất tấm pin mặt trời và những thế hệ của pin năng lượng mặt trời từ trước tới nay qua bài viết này .
1. Quy trình sản xuất pin mặt trời
Có 3 loại tấm pin mặt trời có sẵn trên thị trường:
- Tấm pin điện mặt trời đơn tinh thể
- Tấm pin điện mặt trời đa tinh thể
- Tấm pin năng lượng mặt trời màng mỏng
Do đó, ở cấp độ cấu trúc tế bào, có nhiều loại vật liệu khác nhau để sản xuất, chẳn hạn như silicon, polysilicon hoặc silicon vô định hình. Hai loại tế bào đầu tiên có quy trình sản xuất giống nhau.
Bước 1. Cát
Bắt đầu bằng nguyên liệu thô, ở đây là cát. Hầu hết các tấm pin mặt trời được làm bằng silicon, là thành phần chính trong các bãi cát ở bãi biển. Silicon có sẵn rất nhiều, làm cho nó trở thành nguyên tố có sẵn nhiều thứ hai trên thế giới. Tuy nhiên, chuyển đổi cát thành silicon cao cấp có chi phí cao và là một quá trình tốn nhiều tài nguyên. Silic có độ tinh khiết cao được sản xuất từ cát thạch anh trong lò hồ quang ở nhiệt độ rất cao.
Bước 2. Thỏi silicon hình trụ
Silic được thu thập thường ở dạng đá rắn. Hàng trăm loại đá này được nung chảy ở nhiệt độ rất cao để tạo thành các thỏi có hình trụ. Để đạt được hình dạng mong muốn, một lò thép, hình trụ được sử dụng. Trong quá trình nóng chảy, tất cả các nguyên tử được sắp xếp hoàn hảo theo cấu trúc và hướng mong muốn. Boron sẽ phân cực điện dương silicon.
Các tế bào tinh thể mono được sản xuất từ một tinh thể silicon. Mono silicon có hiệu quả cao hơn trong việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng, do đó giá của các tấm đơn tinh thể cao hơn.
Các tế bào Polysilicon được tạo ra từ việc nấu chảy tin thể silicon với nhau. Bạn có thể nhận ra chúng bằng cách nhìn các mãnh vỡ kính được đưa ra bởi các tinh thể silicon khác nhau. Sau khi phôi nguội, sẽ đến khâu mài và đánh bóng.
Bước 3. Làm tấm bán dẫn silic
Từ các phôi hình trụ, người ta dùng cưa tròn có đường kính bên trong cắt từng tấm bán dẫn silic thành các đĩa mỏng (chiếc cưa tạo ra viết cắt dầy 5mm). Bởi vì silicon nguyên chất sáng bóng, nó có thể phản chiếu ánh sáng mặt trời, nên một lớp phủ chống phản chiếu được đặt lên đĩa silicon.
Bước 4. Hình thành tấm pin mặt trời
Các quy trình sau đây sẽ giúp chuyển đổi một đĩa silic thành một tấm pin năng lượng mặt trời có khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng.
Mỗi tấm đĩa pin mặt trời đang được xử lý và dây dẫn kim loại được thêm vào trên mỗi bề mặt. Các dây dẫn cung cấp cho đĩa silic một ma trận giống như lưới trên bề mặt. Điều này sẽ đảm bảo việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng. Lớp phủ sẽ tạo điều kiện cho sự hấp thụ ánh sáng mặt trời, thay vì phản chiếu nó.
Trong một buồng giống như một lò nướng, phốt pho được khuếch tán trong một lớp mỏng trên bề mặt của các đĩa silic. Điều này sẽ sạc bề mặt với một hướng điện âm. Sự kết hợp của boron và phốt pho sẽ tạo ra mối nối âm-dương, rất quang trọng đối với tế bào PV.
Bước 5. Từ pin mặt trời đến bảng điều khiển năng lượng mặt trời
Các tấm pin mặt trời được hàn lại với nhau, sử dụng các đầu nối kim loại để liên kết các tế bào. Các tấm pin mặt trời được làm từ các pin mặt trời kết nối lại với nhau trong một cấu trúc như ma trận. Cung cấp tiêu chuẩn hiện tại trên thị trường là:
Bảng 48 ô – thích hợp cho mái nhà nhỏ.
Bảng 60 ô – là kích thước tiêu chuẩn.
Bảng 72 ô – được sử dụng để lắp đặt quy mô lớn.
Hệ thống có kích thước phổ biến nhất về mặt điện năng cho các ngôi nhà ở Anh là hệ thống nặng lượng mặt trời 4kwh.
Sau khi các tế bào được đặt lại với nhau, một lớp kính mỏng (khoảng 6-7mm) được thêm vào mặt trước, hướng về phía mặt trời. Tấm nền được làm từ vật liệu dựa trên polymer có độ bền cao. Điều này sẽ ngăn nước, bụi và các vật liệu khác xâm nhậm vào bảng điểu khiển ở phía sau. Sau đó, hộp nối được thêm vào, để cho phép kết nối bên trong mô-đun.
Tất cả được lắp ráp. Khung cũng sẽ cung cấp bảo vệ chống lại tác động thời tiết. Việc sử dụng khung cũng sẽ cho phép gắn bảng theo nhiều cách khác nhau.
EVA là chất keo kết dính mọi thứ lại với nhau. Điều quan trọng là chất lượng của chất đóng gói cao vì vậy nó không làm hỏng các tế bào trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
Bước 6. Kiểm tra các mô-đun
Khi mô-đun đã sẵn sàng, thử nghiệm được thực hiện để đảm bảo các tế bào hoạt động như mong đợi, STC(Điều kiện kiểm tra chuẩn) được sử dụng làm điểm tham chiếu. Bảng điều khiển được đặt trong một thử nghiệm flash tại cơ sở sản xuất. Người thử sẽ cung cấp lượng tương đương 1000W/m2, nhiệt độ tế bào 25 độ C và khối lượng không khí 1,5g. Các thông số điện được ghi lại và bạn có thể tìm thấy các kết quả này trên bảng thống số kỹ thuật của mỗi bảng. Xếp hạng sẽ tiết lộ sản lượng điện, hiệu quả, điện áp, dòng điện, tác động và chịu nhiệt độ.
Nghiên cứu và phát triển trong ngành năng lượng mặt trời đang hướng tới mục tiêu giảm chi phí cho các tấm pin mặt trời và tăng hiệu quả. Ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời đang trở nên cạnh tranh hơn và được dự báo sẽ trở nên phổ biến hơn các nguồn năng lượng thông thường, như nhiêu liệu hóa thạch.
2. Các thế hệ pin năng lượng mặt trời
2.1. Pin năng lượng mặt trời thế hệ I
Khởi đầu cho pin mặt trời thế hệ I là hãng Bell đã chế tạo các tấm pin mặt trời từ thỏi silic đơn tinh thể cắt ra từng lát mỏng tạo ra tiếp xúc p-n, làm các đường dẫn nối điện theo kỹ thuật vi điện tử và ghép lại thành tấm.
Tuy nhiên, hiệu suất của loại này chỉ mới đạt được 6% nghĩa là trong 100 phần năng lượng photon ánh sáng mặt trời đến, chỉ có 6 phần được biến thành điện năng trong khi giá thành của loại này rất đắt đỏ.
Sau này, các nhà sản xuất đã có những cải tiến thay silic đơn tinh thể bằng silic đa tinh thể, phủ các lớp chống phản xạ để ánh sáng đi vào tiếp xúc p-n nhiều hơn nhưng hiệu suất pin mặt trời vẫn rất giới hạn, chỉ trong khoảng 10-20%.
Định luật về giới hạn Shockley- Queisser đã chỉ ra rằng: chỉ với tiếp xúc p-n đơn giản thì hiệu suất pin mặt trời không thể cao hơn 30%. Nguyên nhân là bán dẫn silic được chế tạo ra từ cát trắng, nguyên liệu dễ kiếm và kỹ thuật làm bán dẫn rất phát triển nên có tới xấp xỉ 97% pin mặt trời thế hệ 1.
2.2. Pin năng lượng mặt trời thế hệ II
Tấm pin năng lượng mặt trời thế hệ II được cấu tạo từ những lát mỏng cắt từ các thỏi tinh thể silic, trên lát mỏng đó chỉ dùng một lớp rất mỏng để tạo tiếp xúc p-n. Mỗi lát mỏng tinh thể silic tuy chỉ dày chừng 200 micromet nhưng cứng và giòn, chỉ có thể dán lên những tấm có bề mặt thật phẳng.
Pin thế hệ thứ II chỉ mỏng bằng cỡ 1% pin mặt trời thế hệ I (vài micromet) nên thường được gọi là pin mặt trời màng mỏng (thin-film solar cell) hay pin quang điện màng mỏng (thin film photovoltaic).
Phần lớn pin mặt trời thế hệ này cũng làm từ silic nhưng là silic vô định hình (không phải là tinh thể), ngoài ra còn làm từ vật liệu khác như Cd- Te (cadimi teluarit) và CIGS (đồng indi gali selen).
Ưu điểm của pin thế hệ thứ II là mỏng, nhẹ, dễ uốn, dễ dán vào bất cứ đâu nhưng hiệu suất của pin mặt trời thế hệ 2 không cao, chỉ vào cỡ từ 7-12%.
2.3. Pin năng lượng mặt trời thế hệ III
Pin năng lượng mặt trời thế hệ III là những tấm pin được làm từ những vật liệu mới, theo những phương pháp mới nhằm đạt hiệu suất cao, không mắc phải định luật về giới hạn Shockley- Queisser. Pin thế hệ thứ III có thể được bao gồm pin thế hệ I và II, chúng được ghép nối lại với những tấm pin mới để tăng hiệu suất. Do đó, pin mặt trời thế hệ thứ III còn có tên gọi khác là pin mặt trời nhiều lớp.
Nhiều công nghệ khác được áp dụng để tạo nên tấm pin thế hệ III như công nghệ làm pin mặt trời không bán dẫn (dùng polyme và vật liệu phỏng sinh học), dùng chấm lượng tử, công nghệ nano…
Ngoài ra, một loại pin mặt trời đang có triển vọng để phát triển và dự đoán có thể lấn át các công nghệ pin mặt trời đã có là pin mặt trời perovskite. Perovskite là là tên một loại quặng gồm canxi, titan và oxy do nhà địa chất người Nga Lev Perovski tìm thấy ở dãy núi Ural vào năm 1839.
Tuy nhiên, tấm pin thế hệ III được tạo ra với mục đích chính là nâng cao hiệu suất. Xét về mặt kinh tế thì có thể nếu 1 tấm pin mặt trời nhiều lớp có hiệu suất gấp đôi tấm pin mặt trời 1 lớp thông thường nhưng giá thành lại gấp tới 3, 4 lần thì lựa chọn của người tiêu dùng có thể là mua 2 tấm pin mặt trời hiệu suất thấp thay cho một tấm pin mặt trời hiệu suất cao.
Xem thêm:
- Các loại pin năng lượng mặt trời hiện nay, nên chọn loại nào?
- Pin mặt trời được xử lý như thế nào sau khi hết hạn dùng?
Với những thế hệ khác nhau tấm pin mặt trời có những ưu điểm khác nhau, tùy vào mục đích cũng như khả năng tài chính mà khách hàng có thể lựa chọn. Tuy nhiên việc phát triển, nghiên cứu ra các loại pin mặt trời mới sẽ luôn được các sản xuất thực hiện nhằm mang tới những sản phẩm chất lượng nhất đáp ứng nhu cầu người dùng.
Với những thông tin trong bài viết, 365 Energy hy vọng có thể giúp bạn nắm thêm những kiến thức thú vị liên quan đến nguồn năng lượng Điện mặt trời nói chung và tấm pin mặt trời nói riêng.
