Quang điện (pin mặt trời)

Quang điện (pin mặt trời)

` Giới thiệu

Lịch sử cỦa pin quang điện trở lại đến năm 1839, khi Becquere phát hiện

ra hiệu Ứng quang điện, nhưng không có công nghệ đã có sẵn trong thế

kỷ 19 để khai thác khám phá Tuổi bán dẫn chỉ bắt đầu khoảng 100 năm

sau đó Sau khi Shockley đã phát triển một mô hình cho pn đường giao

nhau, Bell Laboratories sản xuất các tế bào mặt trời đầu tiên năm 1954,

hiệu quả, chuyển đổi ánh sang thành điện, là khoảng 5%

Quang điện cung cấp tính linh hoạt cao nhất trong số công nghệ năng

lượng tái tạo

Về mặt lý thuyết, hệ thống PV có thể bao gồm toàn bộ nhu cầu điện

của hầu hết các nước trên thế giới

` Giới thiệu I

Trên thế giới, công suất lắp đặt quang điện và chia sẻ của điện tạo ra bởi PV

vẫn còn thấp, mặc dù ấn tượng trên thị trường tăng trưởng Môi trường chính trị và tầm quan trọng của các chương trình giới thiệu thị trường xác định

tương lai của công nghệ này

€ Hiệu ứng hình ảnh I

Ánh sáng, với năng lượng photon của nó, có thể cung cấp năng lượng để đưa

một electron lên mức năng lượng cao hơn Năng lượng photon được cho theo:

malt Fregaency te)

Photon anergy ie)

Đủ năng lượng để đưa electron quay quanh E cũng được gọi là năng lượng ion hóa (hiệu Ứng quang điện bên ngoài)

Tế bào quang điện chủ yếu là chuyển đổi cho các photon điện của

ánh sáng nhìn thấy được, tia cực tím và hồng ngoại, do đó, nội bộ hiệu ứng hình ảnh xác định ảnh hưởng của ánh sáng trong một tế bào năng

lượng mặt trời

4/70

Vùng đầy đủ chiếm cao nhất được gọi là vùng hóa trị

Vùng cao nhất tiếp theo, mà có thể là một phần chiếm đóng hoặc hoàn toàn

trống rỗng, được gọi là vùng dẫn

Không gian giữa VB và CB được gọi là vùng cấm

Khoảng cách năng lượng giỮa các vùng được gọi là vùng khoảng cách

Forbidden band (FB) Ễ <5eV FB B,>5SeV FB

Conductor Semiconductor Isolator

5/70

` Hiệu ứng hình ảnh I

Quang điện (PV) các tế bào được làm bằng

vật liệu đặc biệt được gọi là chất bán

dẫn như silicon, hiện đang được sử

dụng phổ biến nhất

Về cơ bản, khi có ánh sáng chiếu vào mee Forbidden

các tế bào, mỘt số phần cỦa nó được proton Band

hấp thụ trong vật liệu bán dẫn Điều

này có nghĩa là năng lượng hấp thụ ánh

sáng được chuyển giao cho bán dẫn

Năng lượng electron lỏng lẻo, cho phép

Mỗi tế bào PV có ít nhất một điện trường Nếu không có một điện

trường, các tế bào sẽ không hoạt động, và vùng này tạo khi silicon loại NÑ

€ Hiệu ứng hình ảnh _

Khi ánh sáng, dưới dạng photon, chạm tế bào năng, lượng mặt trời, năng lượng giải phóng cap electron - 16 trống, | M6i photon có du nang lượng sẽ giải phóng một điện tử, và kết quả một lỗ trống cũng được giải phóng Nếu điều này xảy ra gần đủ với điện trường, hoặc nếu electron tự do và lỗ trong xay ra

thì nó sẽ di chuyển trong phạm vi ảnh hưởng cỦa nó, tỪ trường sẽ gửi điện tử

đến phía b bên N và lỗ trống đến phía bên P Điều này làm gián đoạn điện trung lập, và nếu chúng tôi cung cấp mỘt dòng bên ngoài đường dẫn, các electron sẽ chạy qua đường dẫn bên ban đầu của nó (loại P) để gắn kết với các lỗ trống điện trường gửi ở đó, làm công việc cho chúng ta trên đường đi Những electron cung cấp dòng điện, và điện trường của tế bào gây ra một điện áp

` Nguyên tắc của pin mặt trời I

Không phải tất cả năng lượng của các photon có bước sóng gần vùng

cấm được biến đổi thành điện Bề mặt tế bào năng lượng mặt trời phản

ánh một phần của ánh sáng tới, và một số là lan truyền qua các tế bào

năng lượng mặt trời Hơn nữa, các electron có thể kết hợp lại với lỗ

€ Nguyên tắc của pin mặt trời I

Các tế bào năng lượng mặt trời có thể được làm từ các vật liệu bán

dẫn Đó là:

Silicon (Si) bao g6m ca Si don tinh thé, Si da tinh thé,

và Sỉ vô định hình Poly tinh thể màng mỏng, bao gồm cả đồng mỏng indium diselenide (CIS), cadmium telluride (CdTe), và màng mỏng silicon

Màng mồng đơn tỉnh thể, bao gồm cả vật liệu hiệu quả cao

chẳng han nhu gallium arsenide (GaAs)

11/70

` Vật liệu pin mặt trời I

Tinh thể của vật liệu cho thấy sự hoàn hảo của các nguyên tỬ trong cấu trúc tỉnh thể Silicon, cũng như các vật liệu bán dẫn tế bào năng lượng mặt trời khác, có thể biết đến trong các hình thức khác nhau: don tinh thé,

multicrystalline da tinh thé, hoặc vô định hình Trong một vật liệu đơn tinh

thé, các nguyên tỬ tạo thành khung để tinh thể lặp đi lặp lại một cách thường

xuyên, có trật tự từ lớp này đến lớp kia Ngược lại, trong một vật liệu bao gồm nhiều tinh thể nhỏ hơn, sự sắp xếp có trật tự bị phá vỡ từ một trong

những tỉnh thể khác một kế hoạch phân loại silicon sử dụng kích thƯớc tỉnh

thể gần đúng và cũng bao gồm các phương pháp thường được sử dụng để

phát triển hoặc gửi vật liệu đó

Loai Silicon Tên viết tắt | Kích cỡ Phương pháp lắng đọng

Poly tinh thé silicon pe-Si 1imm-10mm | Chemical-vapor deposition

Micro tinh thé silicon mc-Si <Imm Plasma deposition

13/70

Hap thu

Hệ số hấp thụ của vật liệu cho thấy ánh sáng có bước sóng cụ thể

(hoặc năng lượng) có thể xuyên qua các vật liệu trước khi bị hấp

thụ Một hệ số hấp thụ nhỏ có nghĩa là ánh sáng được hấp thụ dễ dàng bằng vật liệu Một lần nữa, hệ số hấp thụ của một tế bào năng lượng mặt trời phụ thuộc vào hai yếu tố: vật liệu làm các tế

bào, và các bước sóng hoặc năng lượng của ánh sáng được hấp thụ

Ánh sáng có năng lượng là dưới dạng vật chất vùng cấm không thể giải phóng một electron Và như vậy, nó không phải là hấp thụ

Vật liệu pin mặt trời I

'Vùng cấm của một vật liệu bán dẫn là một lượng năng lượng Cụ thể, đó là năng lượng tối thiểu cần thiết để di chuyển một electron tỪ trạng thái bị ràng buộc trong một nguyên tử để trở thành nhóm tự do Nhóm điện tử tự do nay có thể được tham gia trong dẫn Mức năng lượng thấp của một chất bán dẫn được gọi là "vùng hóa trị." và mức năng lượng cao hơn, nơi một electron tự do

di chuyển được gọi là "vùng dẫn" Vùng cấm là sự khác biệt năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị

Band gap (vùng cấm)

15/70

` Vật liệu pin mặt trời I

16/70

Loại pin mặt trời (Silicon) I

Silicon don tinh thé

Dé tao silicon trong một nhóm đơn tỉnh thể, chúng ta phải làm tan chảy cao

độ tinh khiết silicon Nó được sửa đổi hoặc đông lại rất chậm trong va chạm

với một đơn tinh thể "hạt giống" Silicon thích Ứng với mô hình của các hạt giống đơn tinh thể khi nó nguội đi và dần dần củng cố Không có gì đáng ngạc nhiên, bởi vì chúng ta bắt đầu từ một hạt giống, chúng tôi nói rằng điều này là

quá trình "phát triển" một thanh mới (thường được gọi là một "Boule") của

silicon đơn tinh thể nóng chảy

Một số quy trình khác nhau có thể được sử dụng để phát triển một “Boule”

đơn

tỉnh thể silicon Các quá trình hình thành và đáng tin cậy nhất là phương pháp

Czochralski (Cz) và kỹ thuật float-zone (FZ) Chúng tôi cũng thảo luận về

"rïbbon tăng trưởng" kỹ thuật

17/70

` Loại pin mặt trời (Silicon) I

Các kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất cho Sed— xì †

Silicon đơn tinh thể là quá trình Czochralski, trong

đó một hạt giống của silicon don tinh thể ở vị trí rên đầu nóng chảy silicon Khi hạt giống đượctỪtỪ „„ x 3

nâng lên, nguyên tử silicon nóng chảy củng cố

mô hình của hạt giống và mở rộng các đơn tinh thể cấu trúc

Silicon don tinh thé

Loại pin mặt tr6i (Silicon) I

ilicon da tinh thể

Silicon đa tỉnh thể là nguyên liệu bằng silicon thudng it

hiệu quả hơn so với những đơn tinh thể silicon, nhưng nó có

thể sản xuất ít tốn kém hơn Silicon da tinh thể có thể được

sản xuất trong nhiều cách khác nhau Phổ biến nhất là

phương pháp liên quan đến một quá trình đúc, trong dé silicon

nóng chảy trực tiếp đúc vào một khuôn và cho phép đông đặc

thành một phôi Nguyên liệu ban đầu có thể là một silicon

tinh chế cấp thấp hơn, đúng hơn là cao cấp lớp bán dẫn cần

thiết cho các vật liệu don tinh thé

Tốc đỘ làm mát là một trong những yếu tố quyết định cuối

cùng kích thước của các tỉnh thể trong phôi và phân phối

tạp chất Loại nấm này thường là hình vuông, sản xuất một

phôi có thể được cắt và cắt thành ô vuông phù hợp gọn trong một module PV

19/70

Loại pin mat tri (Silicon) I Silicon vô định hình

Chất rắn vô định hình, như thủy tinh thông thường, là vật liệu có nguyên

tử

không được bố trí trong bất kỳ thứ tự cụ thể Nó không hình thành cấu

trúc tinh thể ở tất cả, và chúng chứa một số lượng lớn khiếm khuyết về cấu trúc và liên kết Nhưng nó có một số tính kinh tế ưu điểm so với các vật liệu khác mà làm cho chúng hấp dẫn để sử dụng điện năng lượng

mặt trời, hoặc quang điện (PV), các hệ thống Hôm nay, silicon vô định

hình là phổ biến trong các thiết bị tiêu dùng năng lượng mặt trời có yêu

cầu điện năng thấp, chẳng hạn như đồng hồ đeo tay và máy tính

€ Loại pin mặt trời (Silicon) I

Silicon vô định hình

Silicon vô định hình hấp thụ bức xạ mặt trời 40 lần hiệu quả hơn silicon đơn

tinh thé, do đó, một phim chỉ có khoảng 1 micromet hoặc một phần triệu của một mét dày có thể hấp thụ 90% năng lượng ánh sáng chiếu vào nó Đây là một trong những lý do silicon vô định hình có thể giảm chỉ phí quang điện Lợi thế

kinh tế khác là nó có thể được sản xuất ở nhiệt độ thấp hơn và có thể được

lắng đọng trên chỉ phí thấp, ví dụ như: nhựa, thỦy tỉnh và kim loại Điều này

làm cho silicon vô định hình có lý tưởng cho việc xây dựng các sản phẩm tích hợp PV như một trong những thể hiện trên các hình ảnh Và những đặc điểm

này làm cho silicon vô định hình màng mỏng là vật chất hàng đầu PV

21/70

Loai pin mặt trời

(Đa tỉnh thể màng mỏng)

Một trong những khám phá khoa học của ngành công nghiệp máy tính bán dẫn cũng

có tiềm năng rất lớn trong ngành công nghiệp quang điện (PV): công nghệ màng mồng Những "phim mỏng" xuất phát từ phương pháp được sử dụng để

gửi những phim, không phải từ độ mỏng của phim: tế bào phim mỏng

gửi vào rất mỏng, lớp liên tiếp của các nguyên tử, phân tử, hoặc ion

Các tế bào “thin-film” (phim mỏng) có nhiều lợi thế hơn “thick-film” (phim dày)

Vi dụ, họ sử dụng ít vật liệu, khu vực hoạt động của tế bào này thường dày chỉ 1

đến 10 micromet, trong khi phim dày thường là dày 100 đến 300 micromet Ngoài

ra, phim mỏng thường có thể được sản xuất trong một quá trình lớn, có thể

là một tự động hóa, quá trình sản xuất liên tục Cuối cùng, họ có thể

gửi trên các vật liệu chất nền linh hoạt

Loại pin mặt trời (Đa tỉnh thể màng mỏng)

Lắng động Thin-Film (màng mồng)

Một số kĩ thuật lắng khác nhau có thể được sử dụng, và tất cả có khả

năng ít tốn kém hơn so với tốc đỘ tăng trưởng phôi kỹ thuật cần thiết

cho tỉnh thể silicon

Chúng ta có thể phân loại kỹ thuật lắng đọng vào lắng đọng hơi vật lý, lắng đọng hóa hơi, lắng đọng điện hóa, hoặc kết hợp, và cũng giống

như silicon vô định hình, các lớp có thể được gửi trên nhiều chất nền có

chi phí thấp như thủy tinh, thép không gỉ, hoặc nhựa trong hầu như bất

kỳ hình dạng 7

23/70

Loại pin mặt trời

mô-đun Ngược lại, Thin-film là thiết bị có thể được thực hiện như một

đơn vị đó là, monolithically với lớp từng lớp được gửi tuần tự trên một số chất nền, bao gồm lắng đọng một lớp phủ chống phản xạ và oxit dẩn trong

SUỐI

Loại pin mặt trời

(Đa tỉnh thể màng mỏng)

Cấu trúc tế bào Thin-Film

Không giống như hầu hết các tế bào đơn tinh thể, một thiết bị màng mỏng điển hình không có một kim loại lưới điện cho các tiếp xúc điện Thay vào đó, nó sử dụng một lớp mỏng oxit dẩn trong suốt, chẳng hạn như oxit thiếc Những oxit được đánh giá cao độ trong | suốt và dẩn điện rất tốt Một lớp phủ chống phản xạ riêng biệt có thể ở đầu tran thiết bị, trừ khi các oxit dẩn trong suốt phục vụ chức năng đó Đa tỉnh thế màng mỏng ( được làm bang nhiéu hat tinh thể nhỏ của vật liệu bán dẫn Các vật liệu được sử dụng trong các tế bào đa tỉnh thể màng mỏng Có ( các thuộc tính khác nhau của silicon Vì vậy, có vẻ như để làm việc tốt hơn

để tạo ra điện 1 trường với một mặt tiếp xúc giữa hai vật liệu bán dẫn khác nhau Kiểu mặt tiếp xúc này được gọi là mỘt heterojunction (chuyển tiếp dị thể) ("hetero" bởi vì nó được hình thành từ hai vật liệu khác nhau,

so sánh với "homojunction” được hình thành bởi hai “pha tạp” lớp chất liệu tương tự, chẳng hạn như một trong các tẾ bào năng lượng mặt trời

silicon

Ø

Loại pin mặt trời

(Đa tỉnh thể màng mỏng)

Cấu trúc tế bào Thin-Film

Da tinh thể màng mỏng điển hình có một lớp

rất mỏng (it hon 0,1 micron) trên đầu được mà ye

gọi là "cửa sổ" lớp Vai trò của lớp cửa sổ là Am

hấp thụ năng lượng ánh 1 sang Nó phải đủ khu làuu

mỎng và có mỘt vùng cấm đủ rộng 2, 8 eV betweentwo +

hoặc nhiều hơn) để cho tất cả ánh sáng có TM

sẵn đi qua ‹ các mặt tiếp xúc (heterojunction) ew

đến lớp hấp thụ Lớp hấp thụ dưới cửa sổ, Topntype

thường là pha tạp loại p, phải có một khả mm | Du

năng hấp thụ cao (khả năng hấp thụ các “Abe lu sender

photon) cho dong điện cao và vùng cấm phù TH ae hợp để cung cấp một điện áp tốt Tuy nhiên, material

nó thường dày chỉ 1 dén 2 micron

26/70

Loại pin mặt trời

(Đa tỉnh thể màng mỏng)

Copper Indium Diselenide (CIS)

Đồng indium diselenide (CulnSe2 hoặc "CIS") có hấp thụ rất cao, điều đó có nghĩa là 99% củỦa ánh sáng tỏa ra trên CIS sẽ được hấp thu trong micromet dau tiên của vật liệu Các vật liệu phổ biến nhất cho lớp trên cùng hoặc trong cửa

sổ thiết bị CIS là cadmium sulfide (CdS), mặc dù kẽm đôi khi được thêm vào

để cải thiện đỘ trong suốt Thêm một lượng nhỏ của gallium lớp CIS giảm hấp thụ tăng vùng cấm lên 1,0 electron-volt (eV), cải thiện điện áp và hiệu quả

của thiết bị

Loại pin mặt trời

(Đa tỉnh thể màng mỏng)

Cadmium Telluride (CdTe)

Cadmium telluride là một vật liệu đa tinh thể màng mỏng nổi bật Với một vùng c cấm gần như lý tưởng 1,44 eV, CdTe cũng có mỘt hệ số hấp thụ rất cao Giống như CIS, phim của CdTe có thể được sản xuất bằng cách sử dụng chỉ phí thấp Cũng như CIS, các tế bào CdTe tốt nhất sử dụng một mặt tiếp xúc heterojunction, ‘y6i cadmium sulfide

(CdS) hoạt động như là một lớp cửa sổ mỏng Oxit thiếc được sử

dụng như một oxit dẩn trong suốt và lớp phủ chống phản xạ Một vấn đề với CdTe là loại p CdTe phim có xu hướng đánh giá cao điện

trở điện, dẫn đến thiệt hại điện kháng nội bộ lớn Giải pháp là cho

phép lớp CdTe nội tại (nghĩa là, không loại p cũng không phải loại n, nhưng tự nhiên), và thêm mỘt lớp loại | P kém telluride (ZnTe) giữa CdTe và tiếp xúc điện Khi nói ¡ đến việc tạo ra tế bào CdTe, một loạt các phương pháp có thể, bao gồm cả closed-space (không gian kín) thăng hoa, electrodeposition (mạ điện), và lắng đọng hơi hóa chất

28/70

Loại pin mặt trời

(Đa tỉnh thể màng mỏng)

"Silicon màng mỏng" thường dùng để chỉ silicon dựa trên các thiết bị PV

khác hơn so với các tế bào silicon vô định hình và các tế bao silicon don tinh

thể (nơi mà các lớp silicon dày hơn 200 micromet) Những phim có hệ số

hấp thụ ánh sáng cao và cần tế bào có độ dày chỉ một vài micromet hoặc ít hon Silicon tinh thé nano va silicon da tinh thể hạt nhỏ được coi là sïlicon

màng mỏng có thể thay thé các hợp kim silicon vô định hình như các tế bào dưới cùng trong thiết bị multi-junction (đa ngã ba) Với những màng mỏng

khác, lợi thế bao gồm các khoản tiết kiệm vật liệu, thiết kế thiết bị nguyên

khối, sử dụng chất nền không tốn kém, và các quá trình sản xuất là nhiệt

độ thấp và trên diện rộng có thể có

Silicon màng mỏng

Loại pin mặt trời

Vùng cấm GaAs là 1,43 eV, gần như lý tưởng cho các tế bào năng lượng mặt trời

ở một ngã ba GaAs có một hấp thụ cao như vậy nó đòi hỏi một tế bào dày chỉ

một vài micron để hấp thụ ánh sáng mặt trời Không giống như các tế bào silicon,

GaAs tế bào này tương đối không nhạy cảm với nhiệt độ Nhiệt độ thường có

thể là khá cao, đặc biệt là trong các ứng dụng tập trung GaAs cho phép linh hoạt

tuyệt vời trong pin di động GaAs là có khả năng chịu thiệt hại bức xạ Điều này,

cùng với hiệu quả sử dụng cao, GaAs mong muốn cho các ứng dụng không gian

30/70

Loại pin mặt trời

(Đơn tỉnh thể màng mỏng)

Pin mặt trời GaAs

Một trong những lợi thế lớn nhất của gallium arsenide và các hợp kim của nó

làm vật liệu tế bào PV là nó tuân theo một loạt các thiết kế Một tế bào với

một cơ sở GaAs có thể có một số lớp của các thành phần hơi khác nhau, điều này cho phép một nhà thiết kế pin để kiểm soát chính xác các thế hệ và bộ sưu

tập các electron và lỗ trống Mức độ kiểm soát này cho phép thiết kế pin để thúc đẩy hiệu quả gần hơn và gần hơn đến lý thuyết

Rao can lớn nhất cho sự thành công của các tế bào GaAs là chỉ phí cao cho mỘt

chất nền tinh thể GaAs Vì lý do này, các tế bào GaAs được sử dụng chủ yếu

trong các hệ thống tập trung, trong đó một tế bào tập trung điển hình với kích thước chỉ khoảng 0,25 cm” trong khu vực, nhưng có thể sản xuất năng lượng

Hai phím yếu tố quyết định hiệu quả pin mặt trời:

Hiệu quả tối đa được xác định bởi vật chất vùng cấm: vùng cấm cao có điện

Loại pin mặt trời Is

Loại pin mặt trời

SB] Muttjunetion Cone entrators {Three jncton (ermal, monolithic)

34/70

` Công nghệ pin mặt trời I

Chiếm ưu thế về công nghệ silicon, do sự phong phú của nó, dễ chế tạo và sử dụng bởi các ngành công nghiệp vi mạch tích hợp (IC)

Hai vat liéu silicon chi phối được sử dụng: đơn tinh thể (chi phí cao hơn, hiệu quả cao hơn) và đa tinh thể (hiệu quả thấp hơn, chỉ phí thấp hơn)

35/70

Công nghệ pin mặt trời

Công nghệ sản xuất xác định một loại vật liệu có thể đạt hiệu quả lý thuyết Công nghệ chế tạo phát triển cho các thiết bị điện tử khác (IC, thiết bị quang học) cho hiệu quả cao, nhưng chi phí cao do chi phí dựa trên khu vực cao

IC công nghệ xử lý cho 24,7%

tngor “verte jt amids