Tế bào quang điện là ứng dụng có khả năng chuyển đổi nguồn năng lượng ánh sáng của mặt trời thành điện năng. Tuy nhiên, bạn đã thực sự hiểu rõ tế bào quang điện là gì và nguyên lý hoạt động của nó chưa? Trong bài viết này, mời bạn hãy cùng Alternō khám phá chi tiết về cấu tạo, cách hoạt động, phân loại và ứng dụng của tế bào quang điện ngay sau đây nhé!
1. Tế bào quang điện là gì?
Tế bào quang điện (solar cell) hay còn gọi là cell pin mặt trời. Nó là thiết bị điện được làm từ chất liệu silicon tinh thể với bề mặt được phủ các đường dẫn kim loại để thu thập các electron sinh ra bởi hiệu ứng quang điện. Các electron này sẽ di chuyển theo 1 hướng để tạo dòng điện 1 chiều và có khả năng biến đổi quang năng thành điện năng.
Một tế bào quang điện bằng silicon duy nhất có thể hình thành điện áp mạch hở khoảng 0,5-0,6V. Mỗi tấm pin năng lượng mặt trời thường có 60-72 tế bào quang điện được ghép lại với nhau. Tuy nhiên, với công nghệ phát triển hiện nay thì các cell pin có thể chứa đến 120-140. Số lượng cell pin càng nhiều thì hiệu suất chuyển đổi điện năng của tấm pin mặt trời càng cao.
2. Các loại tế bào quang điện
Hiện nay trên thị trường có hai loại tế bào điện quang phổ biến là mono và poly, chi tiết như sau:
- Tế bào quang điện mono: Tế bào quang điện của tấm pin mono được làm từ vật liệu silicon đơn tinh thể, có độ tinh khiết cao nên giá thành đắt hơn so với các loại khác. Các góc của tế bào mono giống như bị cắt bớt, tạo thành hình bát giác. Điểm mạnh của loại tế bào quang điện này là hiệu suất tuổi thọ cao và hoạt động tốt trong cả điều kiện nguồn ánh sáng yếu.
- Tế bào quang điện poly: Tế bào quang điện của tấm pin poly được sử dụng phổ biến nhờ làm bằng silicon đa tinh thể. Nó được cấu tạo từ khối silicon vuông đúc nóng chảy, sau đó được làm mát và cứng lại. Tấm pin poly có khả năng chịu nhiệt cao cùng quá trình sản xuất đơn giản, giá thành thấp hơn so với dòng mono.
3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện
Tế bào quang điện được cấu tạo từ chất bán dẫn nên có khả năng hấp thụ tốt các hạt photon trong bức xạ mặt trời. Albert Einstein gọi chúng là các hạt ánh sáng có tốc độ lên đến 300.000 km/giây. Khi các hạt photon chạm vào bề mặt chất bán dẫn sẽ sinh ra các dòng electron. Các dòng electron di chuyển tự do và tìm chỗ trống của nguyên tử lấp đầy vào.
Tuy nhiên, để tạo ra dòng điện thì các hạt electron này cần di chuyển theo một hướng. Chính vì vậy mà các nhà khoa học đã dùng hai loại silicon. Bề mặt tiếp xúc với mặt trời được pha với nguyên tử Photpho có nhiều điện tử hơn silicon, bề mặt còn lại được pha với nguyên tử Bo có ít hơn một điện tử so với silicon.
Tế bào quang điện gồm có hai lớp là cực âm và cực dương. Vị trí có nhiều điện tử sẽ trở thành cực âm còn lớp bị thiếu trở thành cực dương và phần tiếp giáp giữa hai lớp tạo ra điện trường.
Khi các electron được giải phóng, chúng sẽ di chuyển về cực âm còn các lỗ trống trôi về điện cực dương. Cả điện cực dương và electron đều đi đến tiếp điểm của 2 cực, đi qua các đường dẫn kim loại và tạo ra dòng điện một chiều. Ngoài ra còn có lớp phủ có khả năng chống phản xa ở lớp trên cùng của tế bào quang điện giúp tránh sự thất thoát do phản xạ bề mặt.
4. Ứng dụng của tế bào quang điện
Tế bào quang điện có nhiều ứng dụng quan trọng trong cuộc sống hiện đại. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của tế bào quang điện:
- Các tế bào quang điện sản xuất ra điện mặt trời, cung cấp năng lượng cho các nhà máy điện, toà nhà hay ở các khu vực hẻo lánh không tiếp cận được lưới điện quốc gia.
- Thay pin cho các thiết bị điện như đồng hồ, máy tính, thiết bị báo khói, cửa tự động mở,…
- Lắp đặt các phương tiện hoạt động bằng điện năng lượng mặt trời.
- Tế bào quang điện có khả năng cảm biến ánh sáng, ứng dụng để chiếu sáng.
5. Tế bào quang điện được tạo ra như thế nào?
Vậy cách tạo ra tế bào quang điện là gì? Tế bào quang điện được sản xuất qua quy trình gồm có 7 bước chi tiết như sau:
- Bước 1 – Làm sạch silicon: Silicon được cho vào trong lò hồ quang điện, sau đó đặt hồ quang carbon để giải phóng oxy trong các phân tử silicon dioxide. Quá trình này thu được silicon thành phẩm làm sạch và có chứa rất ít tạp chất. Tuy nhiên, silicon này vẫn chưa đủ điều kiện tạo ra tế bào quang điện. Các silicon này cần được nóng chảy di động để loại bỏ hoàn toàn các tạp chất về 1 phía để thu về silicon nguyên chất.
- Bước 2 – Chế tạo silicon đơn tinh thể: Tế bào quang điện được làm từ những thỏi silicon đa tinh thể. Tuy nhiên, để chuyển thành silicon đơn tinh thể thì nó cần phải trải qua giai đoạn Czochralski.
- Bước 3 – Làm tấm silicon: Tấm silicon đa tinh thể được cắt lát bằng cưa tròn kim cương. Quy trình cắt này sẽ tạo ra các tấm silicon tròn và được đánh bóng để loại bỏ những vết cưa đó.
- Bước 4 – Pha tạp: Hình thức pha tạp bằng photpho và bo được sử dụng phổ biến nhất là dùng máy gia tốc hạt nhỏ để bắn các ion photpho vào tấm silicon, giúp kiểm soát được tốc độ của các ion. Tuy nhiên, quá trình này chưa được chấp nhận hoàn toàn.
- Bước 5 – Đặt các tiếp điểm điện: Tiếp điểm điện dùng để kết nối các tế bào quang điện với nhau. Phần tiếp xúc cần phải cực kỳ mỏng mỏng để ánh sáng mặt trời có thể chiếu vào các tế bào. Sau khi các tiếp điểm được đặt đúng vị trí, đồng tráng thiếc sẽ được đặt ở giữa các ô tế bào quang điện.
- Bước 6 – Lớp phủ chống phản quang: Silicon nguyên chất có độ bóng tự nhiên nên phản xạ lại khoảng 35% ánh sáng khi mặt trời chiếu vào. Để khắc phục và giảm lượng ánh sáng hao hụt do hiện tượng phản quang thì người ta đã phủ một lớp titanium dioxide và silicon dioxide.
- Bước 7 – Đóng gói tế bào: Các tế bào quang điện sau khi kiểm tra chất lượng sẽ được đóng gói. Chúng sẽ được bảo quản trong ethylene vinyl acetate hoặc cao su silicon. Các tấm tế bào được lắp vào một khung nhôm chắc chắn có tấm nền bằng nhựa trong suốt hoặc vỏ thuỷ tinh.
6. So sánh solar cell và solar panel
Solar panel (tấm pin mặt trời) có vai trò khuếch đại, bảo vệ và điều khiển. Tế bào quang điện chỉ tạo ra một năng lượng hạn chế. Khi xây dựng một hệ thống năng lượng mặt trời, nhiều tế bào quang điện (Solar Cell) được kết nối với nhau theo dạng chuỗi hoặc song song để tạo thành một mô-đun năng lượng mặt trời. Điều này giúp tăng cường dòng điện và tạo ra nhiều năng lượng hơn. Các mô đun được bao bọc toàn bộ tế bào quang điện và hệ thống dây điện trong lớp vỏ bảo vệ để bảo vệ khỏi thời tiết.
Các mô đun này sau đó được liên kết với nhau như tấm pin. Điều quan trọng cần lưu ý là một tấm pin chỉ bao gồm một hoặc nhiều mô đun. Những tấm pin này được lắp sẵn dây điện và sẵn sàng lắp đặt trên mái nhà.
Khi tất cả các thành phần này được kết nối vào tấm pin mặt trời, chúng cho kết quả chính xác hơn trong việc theo dõi dòng điện. Khi dòng điện rời khỏi các tế bào đi qua tải điện, nó sẽ bị chặn tải và di chuyển qua các tấm pin. Dù dòng điện chạy theo hướng nào qua các tấm pin thì nó sẽ dẫn điện từ tất cả các tế bào quang điện.
Toàn bộ điện năng sau đó sẽ dẫn ra khỏi các tấm pin và chuyển đến biến tần để hoàn thành quá trình quang điện.
Soller panel và solar cell cùng nhau làm việc để tạo ra điện năng. Tuy chúng có sự liên kết chặt chẽ nhưng các tấm pin mặt trời thực chất chứa các tế bào quang điện, mỗi tế bào đảm nhận một phần riêng. Toàn bộ hệ thống quang điện hoạt động như dây chuyền lắp ráp, mỗi thành phần thực hiện nhiệm vụ của mình rồi chuyển sản phẩm tới phần tiếp theo. Chỉ có tế bào quang điện có thể hoạt động độc lập nhưng các sản phẩm của chúng sẽ không có giá trị nếu thiếu các phần còn lại trong hệ thống.
7. Câu hỏi thắc mắc về tế bào quang điện
Dưới đây là một số câu hỏi thắc mắc thường gặp về tế bào quang điện:
7.1. Cảm biến quang điện là gì?
Cảm biến quang điện là thiết bị cảm biến có khả năng phát ra chùm tia sáng dưới dạng tần số. Khi chùm tia sáng này chiếu vào vật thể sẽ ảnh hưởng lên bộ thu sáng. Hiện tượng phát xạ điện tử lúc này xảy ra ở cực catot giúp biến đổi ánh sáng thành tín hiệu điện.
7.2. Cách đo lường tế bào quang điện?
Ngành công nghiệp quang điện hiện nay thường dùng máy đo quang học để đo lường tế bào quang điện do nó có giá thành rẻ, độ chính xác khá cao. Bên cạnh đó, ánh sáng bề mặt đèn LED có thể điều chỉnh đa chiều giúp thu được dữ liệu chất lượng, hạn chế sự sai sót.
7.3. Kim loại nào được dùng làm tế bào quang điện?
Tế bào quang điện ngoài chất bán dẫn và các điện cực thì còn được cấu tạo từ một số chất liệu khác. Nhôm là chất liệu được dùng để làm phần khung nhờ độ bền cao, tuổi thọ lâu dài. Ngoài ra, xesi cũng là kim loại thường được sử dụng trong sản xuất tế bào quang điện. Xesi giúp tối ưu hoá quá trình chuyển ánh sáng thành điện năng và nâng cao hiệu suất.
Qua bài viết này, hy vọng đã giúp bạn đọc nắm được các thông tin cơ bản về tế bào quang điện là gì, phân loại, hoạt động và ứng dụng của nó. Hãy liên hệ ngay với Alternō nếu bạn đang quan tâm tới giải pháp lưu trữ năng lượng mặt trời hoặc cần lắp đặt hệ thống điện mặt trời để được tư vấn và hỗ trợ nhanh chóng nhất nhé!
English
