Chắc hẳn bạn đã từng thắc mắc làm thế nào để ánh sáng mặt trời có thể biến thành điện năng. Chính là nhờ vào công nghệ tế bào quang điện – một phát minh mang tính đột phá, giúp biến đổi nguồn năng lượng khổng lồ của mặt trời thành điện năng. Đây chính là thành phần không thể thiếu trong hệ thống năng lượng mặt trời. Vậy tế bào quang điện là gì? Bài viết hôm nay sẽ cùng bạn đọc đi tìm hiểu những thông tin chi tiết về tế bào quang điện. Cùng theo dõi nhé!
Tế bào quang điện là gì?
Tế bào quang điện có tên tiếng Anh là Solar Cell hay cell pin mặt trời, pin mặt trời hoặc còn gọi là tế bào năng lượng mặt trời. Đây là thiết bị chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Tế bào quang điện thường được chế tạo từ chất liệu silicon tinh thể có đường dẫn kim loại trên bề mặt. Nó có nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện, khi các photon từ ánh sáng mặt trời va chạm với các nguyên tử trong vật liệu bán dẫn sẽ tạo ra dòng điện.
Solar Cell là gì – Tế bào quang điện làm từ kim loại nào (Ảnh: Internet)
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện
Hiệu ứng quang điện được phát hiện bởi nhà vật lý người Pháp Edmond Becquerel vào năm 1839. Tuy nhiên, phải cần đến 21 năm sau tế bào quang điện mới được ứng dụng vào thực tế trong công nghệ vệ tinh. Đến cuối năm 1980, pin năng lượng mặt trời được tạo thành từ các tế bào này được sử dụng ở nhiều nơi hơn. Vào thế kỷ 21, nhu cầu xây dựng các trang trại năng lượng mặt trời đã khiếp quang điện được ứng dụng mạnh mẽ hơn.
Tế bào quang điện có cấu tạo từ chất liệu bán dẫn nên khả năng hấp thụ tốt các hạt photon trong bức xạ mặt trời. Năm 1920, chúng được Albert Einstein đặt tên là các hạt ánh sáng với tốc độ lên đến 300.000km/giây. Vì vậy, khi ánh sáng mặt trời chiếu vào các tế bào quang điện, các hạt photon va chạm vào bề mặt chất bán dẫn sẽ sinh ra các dòng electron. Các dòng electron được giải phóng sẽ di chuyển tự do và tìm lỗ trống của nguyên tử để lấp đầy, tạo ra dòng điện một chiều. Dòng điện này sau đó có thể trực tiếp sử dụng hoặc được chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều để sử dụng trong các thiết bị điện.
Vậy nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện là gì? Để có thể tạo ra được dòng điện thì các hạt electron sẽ phải di chuyển theo một hướng và cần sử dụng hai loại silicon để có thể làm được điều này. Trong đó, bề mặt được tiếp xúc với ánh sáng mặt trời sẽ pha với nguyên tử photpho (nguyên tử nhiều điện hơn silicon). Mặt còn lại được pha với nguyên tử Bo (nguyên tử ít hơn một điện tử so với silicon). Bởi có cấu tạo pha trộn với chất khác nên tế bào quang điện có thể xem như một pin năng lượng.
Khi các electron được giải phóng sẽ di chuyển về điện cực âm, còn các lỗ trống (mang điện tích dương) sẽ trôi về điện cực dương. Electron và điện tích dương đều tiến về tiếp điểm ở hai cực để chảy ra mạch ngoài tạo thành dòng điện một chiều. Ngoài ra, tế bào quang điện còn được phủ thêm một lớp chống phản xạ để giảm thiểu sự thất thoát do phản xạ bề mặt.
Tế bào quang điện dựa trên hiện tượng gì – Cấu tạo tế bào quang điện (Ảnh: Internet)
Ứng dụng của tế bào quang điện
Tế bào quang điện ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, cụ thể:
- Trong hệ thống điện năng lượng mặt trời: Solar Cell là thành phần cốt lõi của các tấm pin mặt trời, nó được dùng vào mục đích cung cấp điện chiếu sáng, sản xuất cho các hộ gia đình và cơ sở sản xuất kinh doanh, cung cấp năng lượng cho các nhà máy điện.
- Trong các thiết bị di động: Tế bào quang điện được tích hợp trong các thiết bị sạc dự phòng, đèn pin, đồng hồ thông minh để khai thác năng lượng từ ánh sáng mặt trời, làm pin cho các thiết bị điện,…
- Trong hàng không vũ trụ: Tế bào quang điện còn được dùng trong các tàu vũ trụ, vệ tinh để cung cấp năng lượng cho các thiết bị bên ngoài không gian.
Tế bào quang điện thường được sử dụng trong hệ thống điện mặt trời (Ảnh: Internet)
Tế bào quang điện được tạo ra như thế nào?
Việc tìm hiểu về tế bào quang điện là gì sẽ không thể không nhắc đến cách tạo ra chúng. Nhờ công nghệ phát triển mà việc tạo ra tế bào quang điện đã đơn giản hơn rất nhiều. Thông thường, Solar Cell được sản xuất qua các bước sau đây:
- Bước 1: Làm sạch silicon: Silicon dioxide được đưa vào hồ quang carbon trong lò hồ quang điện để giải phóng oxy. Thành phẩm thu được chứa rất ít tạp chất, tuy nhiên vẫn chưa đủ điều kiện để tạo ra tế bào quang điện. Các silicon này sẽ trải qua quá trình nóng chảy di động để loại bỏ đi hoàn toàn tạp chất để thu được silicon nguyên chất.
- Bước 2: Chế tạo silicon đơn tinh thể: Solar Cell được tạo ra tw những thỏi silicon đa tinh thể nhưng lại thu được silicon đơn tinh thể từ bước 1. Cần tiến hành giai đoạn Czochralski để biến đổi chúng thành silicon đa tinh thể.
- Bước 3: Làm tấm silicon: Sử dụng cưa tròn kim cương để cắt silicon đa tinh thể thành bó để tạo các tấm silicon tròn. Sau đó cần đánh bóng loại bỏ vết cưa để hoàn thành các tấm silicon.
- Bước 4: Pha tạp: Tiến hành pha trộn các tấm silicon với photpho và bo bằng cách bắn các ion photpho vào tấm silicon thông qua máy gia tốc hạt nhỏ. Quá trình này có thể kiểm soát được độ sâu thâm nhập, tuy nhiên vẫn chưa được chấp nhận hoàn toàn.
- Bước 5: Đặt các tiếp điểm điện: Tiếp điểm điện được dùng để kết nối các tế bào quang điện. Phần tiếp xúc cần đảm bảo độ dày tối thiểu để không cản trở ánh sáng chiếu vào các tế bào này. Để đảm bảo hiệu suất, người ta thường sử dụng đồng tráng thiếc đặt giữa các ô tế bào.
- Bước 6: Lớp phủ chống phản quang: Silicon nguyên chất thường có độ bóng tự nhiên nên sẽ phản xạ lại ánh sáng mặt trời chiếu vào khoảng 35%. Để khắc phục tình trạng này, các nhà khoa học đã thêm một lớp titanium dioxide và silicon dioxide để khắc phục sự hao hụt do hiện tượng phản quang.
- Bước 7: Đóng gói tế bào: Khi các tế bào quang điện sản xuất ra sẽ được kiểm tra chất lượng và đóng gói. Có nghĩa là solar cell sẽ được bảo quản trong cao su silicon hoặc ethylene vinyl acetate. Tiếp theo chúng sẽ được lắp đặt vào một khung nhôm bền chắc có tấm nền bằng nhựa trong suốt hoặc thủy tinh.
Phân loại tế bào quang điện
Hiện nay, tế bào quang điện được sử dụng phổ biến nhất trên thị trường là mono và poly.
- Tế bào quang điện mono: Các tấm pin mono được làm từ silicon đơn tinh thể có độ tinh khiết cao nên giá thành cao hơn so với các loại solar cell khác. Loại tế bào quang điện này thường có hình bát giác, tuổi thọ cao và khả năng hoạt động hiệu quả ở điều kiện nguồn cấp sáng yếu.
- Tế bào quang điện poly: Được sử dụng phổ biến hơn bởi cấu tạo từ silicon đa tinh thể, chịu được nhiệt độ cao, có quy trình sản xuất đơn giản và giá thành rẻ. Tuy nhiên hiệu quả thấp hơn loại tấm mono.
Solar cell mono có chất lượng vượt trội hơn so với poly (Ảnh: Internet)
Lợi ích của tế bào quang điện là gì?
Sự biến đổi khí hậu và nhu cầu sử dụng năng lượng sạch ngày càng tăng đã khiến công nghệ tế bào quang điện phát triển mạnh mẽ với nhiều cải tiến. Vậy tế bào quang điện mang lại những lợi ích gì trong đời sống và sản xuất. Sau đây là những lợi ích không thể bỏ qua của solar cell:
- Cung cấp năng lượng sạch: Việc sử dụng tế bào quang điện sẽ làm giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch, góp phần bảo vệ môi trường và giảm thiểu khí thải nhà kính.
- Giúp tiết kiệm chi phí điện năng: Hệ thống pin mặt trời cung cấp điện miễn phí từ ánh sáng mặt trời và tiết kiệm điện năng.
- Bền vững và dài hạn: Tế bào quang điện có tuổi thọ từ 20 – 25 năm hoặc hơn giúp cung cấp năng lượng ổn định trong suốt quá trình sử dụng.
>>> Có thể bạn quan tâm: Điện trở là gì?
Kết luận
Việc hiểu rõ về tế bào quang điện là gì và vai trò của nó trong ngành năng lượng và sản xuất sẽ giúp chúng ta có cái nhìn rõ ràng hơn về tương lai của nguồn năng lượng sạch. Tế bào quang điện là thành phần không thể thiếu của hệ thống điện mặt trời, với những ưu điểm vượt trội, solar cell hứa hẹn sẽ là nguồn năng lượng sạch – bền vững trong tương lai.
Jasmine Wu – Hapoin
