khảo sát tính năng kỹ thuật pin quang điện phywe

Trong các nguồn sản xuất điện bằng năng lượng tái tạo, thì điện Mặt Trời sử dụng các tấm pin quang điện được đã và đang được quan tâm phát triển hàng đầu... Trong công nghệ pin quang điệ

GV hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

Mã sốSV:1117594 Lớp:TL1192A1 Khóa: 37

Cần Thơ, 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện Các số liệu, kết quả phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng đượccông bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây

Mọi tham khảo, trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Cần Thơ, ngày 27 tháng 04 năm 2015

Tác giả

Hồ Thanh Hương

MỤC LỤC

1.Lí do chọn đề tài 1

2.Mục đích nghiên cứu 1

3.Giới hạn đề tài 2

4.Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài 2

5 Các bước thực hiện đề tài 2

PHẦN NỘI DUNG Chương 1: Tổng quang về tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới và việt nam 3

1.Sơ lược về tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới 3

1.1 Tài nguyên năng lượng là gì 3

1.2 Tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới 3

1.2.1 Vài nét về nhu cầu năng lượng thế giới 4

1.2.2 Thời gian sử dụng năng lượng hóa thạch 4

1.2.3 Tác động của năng lượng hóa thạch với môi trường 5

2 Tình hình năng lượng ở Việt Nam 5

2.1 Năng lượng hóa thạch 5

2.2 Tình hình sản xuất điện năng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo 7

Chương 2: PIN MẶT TRỜI 1.Lý thuyết về tế bào quang điện 9

1.1 Hiệu ứng quang điện 9

1.2 Hiệu ứng quang điện trên hệ thống hai mức năng lượng 11

1.3 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện 12

1.4 Hiệu ứng quang điện trên lớp bán dẫn pn 12

1.5 Đặc trưng Vôn-Ampe tối 14

1.6 Đặc trưng Vôn-Ampe sáng - sự tạo dòng quang năng 14

2 Pin Mặt Trời 16

2.2 Cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của pin Mặt Trời 17

2.2.1 Cấu tạo 17

2.2.2 Phân loại 17

2.2.3 Nguyên lí làm việc của pin Mặt Trời 18

a Đặc tuyến IV của pin Mặt Trời 19

b Hiệu suất biến đổi quang năng thành điện năng 19

c Nguyên lí của pin Mặt Trời nhiều mức năng lượng 21

2.3 Các đặc trưng của pin Mặt Trời 22

2.3.1 Sơ đồ mạch tương đương 22

2.3.2 Dòng đoản mạch ISC 24

2.3.3 Thế hở mạch VOC 24

2.3.4 Điểm làm việc cực đại công suất PM 26

2.3.5 Các điều kiện về tải tiêu thụ điện 28

2.3.6 Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin

Mặt Trời 29

2.3.7 Vật bán dẫn cho hiệu suất cao 31

2.4 Công nghệ chế tạo pin Mặt Trời Si 32

2.4.1 Sơ lọc các thạch anh để có silicon có độ sạch kỹ thuật 32

2.4.2 Làm sạch tiếp để có silicon có độ bán dẫn 33

2.4.3 Tạo đơn tinh thể Si 33

2.4.4 Cắt thỏi Si đơn tinh thể thành các phiến Si 35

2.4.5 Kỹ thuật “kéo” tấm đơn tinh thể Si 36

2.4.6 Tạo tiếp xúc p-n 36

2.4.7 Tạo lớp tiếp xúc Ohmic 38

2.4.8 Phủ lớp chống phản xạ ánh sáng 39

2.4.9 Đóng gói các pin Mặt Trời thành module 40

2.5 Các vật liệu và pin Mặt Trời vô định hình 41

2.5.1 Vật liệu pin Mặt Trời 41

2.5.2 Vật liệu pin Mặt Trời màng mỏng 42

2.6 Ứng dụng pin Mặt Trời 47

CHƯƠNG 3: THỰC HÀNH ĐO ĐẠC, LẮP RÁP MẠCH ĐIỆN PIN MẶT TRỜI .51

1.Mục đích 51

2 Cơ sở lý thuyết 51

3 Dụng cụ 51

4 Thực hành 53

4.1 Trường hợp 1 54

4.2 Trường hợp 2 62

4.3 Trường hợp 3 64

4.4 Đo đạc công suất pin Mặt Trời trong thực tế 68

PHẦN 3 KẾT LUẬN 69

Tài liệu tham khảo 70

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, điện năng có vai trò rất quan trọng trong công nghiệp sản xuất cũng như trong cuộc sống hàng ngày Vì thế, muốn cho cuộc sống phát triển bền vững thì nguồn điện nước ta phải được cung cấp đầy đủ Tuy biết như thế, nhưng đối với nước ta, điện năng cung cấp vẫn chưa đáp ứng kịp thời nhu cầu sử dụng, cung không đủ cầu Nhà nước khuyến khích người dân sử dụng điện khi cần thiết, tắt hết thiết bị điện khi không sử dụng nhưng tình trạng thiếu điện vẫn xảy ra, nhất là vào mùa khô, khi các nhà máy thủy điện không hoạt động hết công suất Đồng thời, ở nước ta, đường dây điện vẫn chưa đi đến nhiều nơi, nhất là những nơi xa xôi, đồi núi, vùng hải đảo,…nhiều người vẫn chưa có điện trong sinh hoạt hằng ngày Do đó, việc phát triển năng lượng điện được quan tâm hang đầu trong chương trình phát triển năng lượng quốc gia

Nhưng phát triển năng lượng điện kéo theo vấn đề môi trường Trong khi việc xây dựng các nhà máy thủy điện lại hủy hoại hệ sinh thái một cách nghiêm trọng thì các nhà máy nhiệt điện lại gây ô nhiễm môi trường và nguyên nhân gây hiệu ứng nhà kính, còn các nhà máy điện hạt nhân thì đang giai đoạn thiết kế, xây dựng và có nguy cơ bị rò rỉ chất phóng xạ khi xảy ra các thiên tai như động đất, sóng thần…Cho nên vấn đề được đặt

ra là phát triển xây dựng phải đảm bảo vấn đề bảo vệ môi trường Trên thực tiễn đó, cần phải tìm ra nguồn năng lượng khác để thay thế

Năng lượng Mặt Trời là nguồn năng lượng sạch nhất và vô hạn nhất trong các nguồn năng lượng mà chúng ta được biết Bức xạ Mặt Trời chứa một nguồn năng lượng khổng lồ và là nguồn gốc của mọi quá trình tự nhiên trên Trái Đất Năng lượng của Mặt Trời rất dồi dào do đó việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này được quan tâm nhiều nhất Trong các thiết bị sử dụng năng lượng Mặt Trời thì pin Mặt Trời đang được

sử dụng rộng rãi vì chúng rất dễ chuyển đổi, dễ dàng lắp đặt trên các tòa nhà và các cấu trúc khác Pin Mặt Trời có thể cung cấp nguồn năng lượng điện sạch, do vậy là nguồn bổ sung cho nguồn cung cấp điện chính thông thường Tại các vùng chưa có điện như các vùng dân cư ở xa, nông thôn, hải đảo, các trường hợp khẩn cấp…Pin Mặt Trời có thể cung cấp nguồn điện đáng tin cậy

Trên đây là lý do tôi chọn đề tài “ Pin năng lượng Mặt Trời” để nghiên cứu

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Đề tài này nghiên cứu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và hệ thống điện của pin Mặt Trời

3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

-Nghiên cứu lý thuyết của pin Mặt Trời và một số ứng dụng đơn giản trong thiết kế chiếu sáng

-Khảo sát thực nghiệm đo đạc, tính hiệu suất của pin Mặt Trời

4.CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

-Nghiên cứu lý thuyết: quá trình nghiên cứu đòi hỏi sưu tầm nhiều tài liệu liên quan, đọc tài liệu, phân tích tổng hợp lý thuyết từ đó viết nên cơ sở lý thuyết của đề tài

-Nghiên cứu thực tiễn

-Sử dụng kết hợp nhiều phương pháp: so sánh, đối chiếu, phân tích, tổng hợp,…

-Sử dụng các tài liệu tham khảo, sách giáo khoa, internet,….có liên quan đến nội dung nghiên cứu

-Thực hành lắp ráp, đo đạc mạch điện

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

-Nhận đề tài

-Thu thập tài liệu có liên quan

-Nghiên cứu tài liệu, viết đề cương chi tiết

-Tổng hợp lý thuyết viết thành luận văn và trao đổi với giáo viên hướng dẫn

-Thực nghiệm: đo công suất của pin quang điện

-Chỉnh sửa hoàn thành luận văn và viết báo cáo

PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1 SƠ LƯỢC VỀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRÊN THẾ GIỚI

1.1 Tài nguyên năng lượng là gì?

“Năng lượng là một dạng tài nguyên vật chất xuất phát từ hai nguồn chủ yếu : năng lượng Mặt Trời và năng lượng lòng Đất

Năng lượng Mặt Trời tồn tại ở các dạng chính: bức xạ Mặt Trời, năng lượng sinh học (sinh khối động thực vật), năng lượng chuyển động của khí quyển và thủy quyển (gió, sóng, các dòng hải lưu, thủy triều, dòng chảy sông,…), năng lượng hóa thạch (than, dầu, khí đốt, đá dầu…) Năng lượng lòng đất gồm nhiệt lòng đất biểu hiện ở các nguồn địa nhiệt, núi lửa và năng lượng phóng xạ tập trung ở các nguyên tố như U, Th, Po…

“Về cơ bản, năng lượng được chia thành hai loại, năng lượng chuyển hóa toàn phần (không tái tạo) và năng lượng tái tạo dựa trên đặc tính của nguồn nhiên liệu sinh ra nó.”

Năng lượng chuyển hóa toàn phần : năng lượng hóa thạch, năng lượng nguyên

tử

Năng lượng tái tạo : Năng lượng Mặt Trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng thủy điện, năng lượng sóng biển, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sinh khối

1.2Tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới

Năng lượng là một đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng sinh công của một vật hoặc hệ vật Có nhiều dạng năng lượng như: động năng làm dịch chuyển vật thể, nhiệt năng làm tăng nhiệt độ của vật thể…

Trong thời kỳ sơ khai của loài người, nhiệt sinh ra do đốt than hoặc khí chỉ được sử dụng trực tiếp vào việc sưởi ấm và nấu nướng Sau đó, nhiệt được dùng để chạy máy móc và

xe cộ Ngoài ra, nhiệt còn làm chạy tuabin máy phát điện để sản xuất điện năng Điện năng rất tiện lợi, có thể sử dụng ngay lập tức chỉ bằng việc ấn nút nên được sử dụng rất rộng rãi

Trong xã hội văn minh ngày nay, con người không thể sống thiếu năng lượng Nhưng do nguồn năng lượng là hữu hạn nên nhân loại phải sử dụng năng lượng một cách hiệu quả và không lãng phí

1.2.1 Vài nét về nhu cầu năng lƣợng thế giới

Nhu cầu năng lượng thế giới có 3 điểm cần lưu ý: Một là, nhu cầu về năng lượng của thế giới tiếp tục tăng lên đều đặn trong hơn hai thập kỷ qua Thứ hai là, nguồn năng lượng hóa thạch vẫn chiếm 90% tổng nhu cầu về năng lượng cho đến năm 2010 Thứ ba

là, nhu cầu đòi hỏi về năng lượng của từng khu vực trên thế giới cũng không giống nhau

1.2.2 Thời gian sử dụng năng lƣợng hóa thạch

Cho đến nay, con người đã sử dụng một lượng rất lớn năng lượng hóa thạch như than đá và dầu để đẩy mạnh quá trình phát triển kinh tế và hiện đang phải phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, chiếm khoảng 80% nguồn cung cấp năng lượng sơ cấp

Người ta cho rằng còn có thể khai thác dầu trong 40 năm nữa Số năm có thể khai thác này được tính bằng cách chia trữ lượng đã biết cho sản lượng khai thác hàng năm hiện nay

Trữ lượng dầu là hữu hạn và nếu lượng tiêu thụ dầu của thế giới trong thời gian tới vẫn tăng thì dần dần chúng ta sẽ phải phụ thuộc vào dầu giá cao Khi giá cả thị trường tăng lên, việc ứng dụng kĩ thuật khai thác tiên tiến hơn để lấy được dầu từ những địa tầng sâu hơn cũng được đẩy mạnh và như vậy trữ lượng dầu có khả năng khai thác cũng sẽ tăng lên Nhưng nếu khai thác đến một nửa trữ lượng của mỗi mỏ thì dù trữ lượng còn đó cũng sẽ dẫn đến suy giảm năng suất và có thể chuyển sang sụt giảm sản lượng

Do vậy, sản lượng dầu chất lượng tốt trên toàn thế giới sẽ chuyển sang khuynh hướng giảm trong một thời kỳ sớm hơn so với số năm có thể khai thác, làm giảm khả năng duy trì sản lượng theo nhu cầu

Điều đó có nghĩa là chúng ta lo lắng cả về việc tăng giá lẫn việc không đảm bảo được sản lượng cần thiết Hơn nữa, hai phần ba tài nguyên dầu lại tập trung chủ yếu ở khu vực Trung Đông, khu vực vốn không ổn định về chính trị

Số năm có thể khai thác của khí tự nhiên dự đoán là khoảng 60 năm Tài nguyên khí tự nhiên, so với tài nguyên dầu có ưu điểm là có thể đảm bảo được một lượng nhất định trong khu vực Đông Nam Á và thời gian khai thác cũng lâu hơn Thực tế là gần 70% trữ lượng được đảm bảo phụ thuộc vào khu vực Trung Đông và Liên Xô cũ, không thể không tính đến những tác động và ảnh hưởng của tình hình quốc tế

Người ta cho rằng số năm còn có thể khai thác than là khoảng 230 năm Nhưng

hóa thạch khác nên khi sử dụng nguồn nhiên liệu này cần tính đến việc phòng chống các hiện tượng về môi trường như sự ấm lên của Trái Đất

1.2.3.Tác động của năng lượng hóa thạch đối với môi trường

Nhiên liệu hóa thạch như dầu, than, khí tự nhiên khi đốt cháy sẽ thải ra khí dioxit

khí tăng lên thì nhiệt độ Trái Đất sẽ tăng lên Người ta dự đoán rằng nếu nhân loại cứ tiếp

năm, nhiệt độ trung bình của Trái Đất sẽ tăng lên 2 độ và gây ảnh hưởng rất lớn đến Trái Đất

Ngoài ra, SOx, Nox là nguyên nhân tạo ra hiện tượng mưa axit gây tác hại to lớn đối với động thực vật trên Trái Đất

Như vậy, tác hại do ô nhiễm không khí đã vượt ra khỏi biên giới quốc gia và lan

ra một khu vực rộng lớn Đối sách phòng chống hiện tượng này là cần phải có sự hợp tác của cộng đồng quốc tế

*Hiệu ứng nhà kính

theo hiệu ứng nhà kính thì nhiệt độ trên toàn Trái Đất sẽ tăng dần lên, khi đó sẽ xuất hiện những khu vực khí hậu thay đổi Có nguy cơ thực vật bị ảnh hưởng, sản xuất nông nghiệp bị tác động làm giảm sản lượng, còn các vùng đất khô cằn dần dần sẽ bị sa mạc hóa Hơn nữa, các khối băng ở Nam và Bắc cực sẽ tan ra và nhấn chìm cả lục địa

2.TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG Ở VIỆT NAM

2.1 Năng lượng hóa thạch

Theo một báo cáo của Bộ Công thương nguồn năng lượng của Việt Nam đang cạn kiệt dần Than chỉ còn 3,88 tỷ tấn, dầu còn 2,3 tỷ tấn, Ước tính, nguồn năng lượng

tự nhiên hiện nay của chúng ta sẽ cạn kiệt trong thời gian tới, trong đó dự báo nguồn dầu

mỏ thương mại trên thế giới còn dùng khoảng 60 năm, khí tự nhiên 80 năm, than 150-200 năm Tại Việt Nam, các nguồn năng lượng tự nhiên này có thể hết trước thế giới một vài

chục năm An ninh năng lượng trở thành vấn đề cấp bách Vấn đề dầu mỏ hiện nay là một

ví dụ Các mỏ dầu tập trung chủ yếu ở các vùng mà tình hình chính trị luôn bất ổn và mỗi cơn khủng hoảng dầu mỏ diễn ra, tình hình thế giới lại lung lay

Về xăng dầu, hiện nay chúng ta vẫn phải nhập khẩu, cho đến năm 2013 công suất đạt được 6,5 triệu tấn dầu thô đầu vào/năm và chỉ bổ sung thêm các phân xưởng để

đa dạng hóa được nguồn dầu thô đầu vào, hay mở rộng, nâng công suất lên 10 triệu tấn dầu thô/năm tại nhà máy lọc dầu Dung Quất vẫn chưa có phương án cuối cùng Đến năm

2020, khi đưa tiếp hai nhà máy lọc dầu vào hoạt động chúng ta có chừng 15-16 triệu tấn xăng dầu trong tổng nhu cầu 30-35 triệu tấn Vẫn phải nhập ít nhất 15 triệu tấn Rõ ràng, hiện nay chúng ta chưa tự chủ được nhiều trong vấn đề năng lượng Trong khi đó, những tác động của thiếu điện hay tăng giá xăng đều ảnh hưởng xấu lập tức đến nền kinh tế

Trong bối cảnh đó, các chuyên gia kinh tế năng lượng đã dự báo đến trước 2020, Việt Nam sẽ phải nhập khoảng 12% - 20% năng lượng, đến năm 2050 lên đến 50% - 60%, chưa kể điện hạt nhân Tình hình năng lượng hiện nay của chúng ta, trong lĩnh vực điện năng chủ yếu dựa vào nhiệt điện và thủy điện Thủy điện tuy có tiềm năng phát triển nhưng lại phụ thuộc và thời tiết, nếu phát triển quá lớn chưa thể lường trước những biến đổi về dòng chảy tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái Trong khi đó, nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận là tên gọi chung của chuỗi hai nhà máy điện hạt nhân I và II được xây dựng tại tỉnh Ning Thuận, Việt Nam với tổng công suất trên 4.000MW Theo quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia, nhà máy điện hạt nhân I và II được dự kiến khởi công vào tháng 12 năm 2014 và hoàn thành vào năm 2022, phát điện vào cuối năm 2020, hiện nay vẫn tiếp tục dời ngày khởi công

Phần lớn các nhà đầu tư, các doanh nghiệp đều cho rằng suất đầu tư và giá điện sản xuất từ gió và Mặt Trời khá cao, khó cạnh tranh với điện truyền thống (nhiệt điện và thủy điện) hiện nay Suất đầu tư cho nhà máy điện từ than xấp xỉ 1 triệu USD/MW trong khi điện gió cao gấp 1,2 – 1,7 lần, điện nguyên tử cao gấp 3 -3,5 lần so với nhiệt điện

Tuy nhiên, dưới cái nhìn của môi trường bền vững, một số nhà kinh tế cho rằng khi so sánh các loại năng lượng này, nhiều người đã bỏ quên nhiều yếu tố chi phí chưa được tính đủ như: sản xuất điện từ than gây ô nhiễm lớn ảnh hưởng đến sức khỏe và mất nhiều kinh phí để khắc phục ô nhiễm (một nhà máy điện từ than công suất 1.000MW,

rắn) Trong khi đó, khi sử dụng năng lượng sạch tái tạo sẽ giảm khí nhà kính Chúng ta

có thể “bán môi trường sinh thái” thu về nhiều triệu USD, giảm bớt sự chênh lệch chi phí giữa hai loại năng lượng

Tuy nhiên, cách tính này ít được áp dụng vào thực tế, vì nhiều quốc gia trên thế giới không tính các loại phí “môi trường” vào sản xuất năng lượng Theo một số chuyên gia, thực tế giá thành sản xuất than và điện hiện nay cao hơn giá bán, nếu tính đủ các chi

phí ngành điện không thể thu hồi được vốn để tái đầu tư nên vẫn cần Nhà nước bao cấp

để đảm bảo điện năng cho tiêu dùng xã hội Hiện nay, ngành năng lượng được ưu đãi lớn, chỉ phải nộp thuế môi trường, hạch toán môi trường vào giá thành Một số chuyên gia cho rằng, nếu tính đủ thuế sử dụng tài nguyên, thuế môi trường, tính đủ các yếu tố chi phí hạch toán vào giá thành, cắt bỏ các ưu đãi bao cấp của Nhà nước trong hạch toán kinh doanh thì ngay cả các năng lượng truyền thống như nhiệt điện, thủy điện chưa chắc đã rẻ hơn việc phát triển năng lượng tái tạo, năng lượng mới

Hiện nay nhiều nước trên thế giới và các nước ASEAN cũng đang hành động để tăng cường an ninh năng lượng Và lời giải cho bài toán, đó cũng là các năng lượng tái tạo và tìm ra nguồn năng lượng mới Điều đó có thể xóa đi hàng loạt cuộc chiến tranh dầu

mỏ, hay những cuộc khủng hoảng dầu mỏ Bên cạnh yếu tố giá thành năng lượng, đây lại là một đóng góp rất đáng quan tâm của những nguồn năng lượng mới

2.2 Tình hình sản xuất điện năng sử dụng nguồn năng lƣợng tái tạo

Điện gió: Các dự án điện gió không nối lưới đã xây dựng ở Việt Nam gồm các tuabin gió quy mô gia đình (150-200kW), chủ yếu lắp đặt ở các khu vực ngoài lưới (các đảo)

Hệ lai ghép tuabin gió – máy phát điện diezen (30kW) đặt tại huyện Hải Hậu, Nam Định hiện không hoạt động được do độ cao lắp đặt thấp

Hệ lai ghép tuabin gió – pin Mặt Trời (2kW) đặt tại huyện Bắc Hà, Kon Tum và trạm điện gió đảo Bạch Long Vỹ (800kW), hoạt động từ năm 2004 Đây là tuabin gió lớn nhất ở thời điểm này, nhưng phải ngừng hoạt động sau 1 năm vận hành vì sự cố

Điện gió ở Bạc Liêu đã triển khai và nối vào lưới điện quốc gia

Điện Mặt Trời: năng lượng Mặt Trời dùng để sản xuất điện ở Việt Nam chủ yếu

là nguồn điện pin Mặt Trời được áp dụng ở khi nông thôn miền núi, vùng sâu, vùng xa, hải đảo

Hiện các hệ thống pin Mặt Trời đã có mặt ở 38 tỉnh thành và một số bộ, ngành như: Bộ Quốc phòng, Bộ Thông tin và Truyền thông, Bộ Giao thông Vận tải, tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) Các nguồn điện pin Mặt Trời này đều không nối lưới, trừ hệ thống pin Mặt Trời 150kW tại trung tâm Hội nghị Quốc gia là có nối lưới, mới đây đã khánh thành nhà máy điện Mặt Trời tại Côn đảo

Tổng công suất đặt pin Mặt Trời của Việt Nam đến nay khoảng 1,4MW

Năng lượng khí sinh học và sinh khối: Dạng năng lượng này tính đến thời điểm hiện nay chủ yếu là phát triển nhiên liệu sinh học từ mía, sắn, ngô, dầu cọ, cao lương, tảo, Năm 2009 được coi là năm ra đời ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học tại Việt

Nam, các nhà máy sản xuất ethanol tại Quảng nam, Phú Thọ, Quãng Ngãi (Dung Quất), Bình Phước, Đồng Nai đã và sẽ lần lượt đưa vào vận hành Nhà máy đường Tây Ninh đã dùng bã mía làm nhiên liệu đốt lò nhà máy điện theo công nghệ đồng phát, nhiều dự án tương tự đang được triển khai ở miền Nam với nhiên liệu là trấu

Địa nhiệt: Cách đây 16 năm, Công ty Ormat (Hoa Kỳ) đã đến Việt nam nghiên cứu phát triển nhà máy điện địa nhiệt, nhưng không phát triển được, mà lý do chính là không thỏa thuận được về giá bán điện

Trong các nguồn sản xuất điện bằng năng lượng tái tạo, thì điện Mặt Trời sử dụng các tấm pin quang điện được đã và đang được quan tâm phát triển hàng đầu

CHƯƠNG 2.PIN MẶT TRỜI

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và có thể nói là vô tận Một trong các kỹ thuật sử dụng nguồn năng lượng này là sản xuất điện năng –điện Mặt Trời Để sản xuất điện Mặt Trời người ta dùng hai công nghệ: nhiệt điện Mặt Trời và pin Mặt Trời hay pin quang điện Tôi sẽ tìm hiểu công nghệ thứ hai: pin quang điện Trong công nghệ pin quang điện, năng lượng Mặt Trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn Các pin Mặt Trời sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào

có bức xạ Mặt Trời tới nó Các hệ thống pin Mặt Trời rất đơn giản, không có phần chuyển động, không đòi hỏi chăm sóc, bảo quản thường xuyên như các hệ thống năng lượng khác, nên là hệ thống rất được quan tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng Ngay

từ năm 1950 các pin Mặt Trời đã trở thành nguồn điện rất tin cậy cho các vệ tinh nhân tạo

và hiện nay là các tàu vũ trụ Đặc biệt là từ cuộc khủng hoảng dầu lửa năm 1973, các hoạt động nghiên cứu hoàn thiện pin Mặt Trời phát triển mạnh mẽ Hiện nay sản xuất pin Mặt Trời đã trở thành một trong các ngành công nghiệp quan trọng ở nhiều nước công nghiệp phát triển trên thế giới

Sau đây nghiên cứu nguyên lí hoạt động và cấu tạo, các đặc trưng cơ bản của pin Mặt Trời

1 LÝ THUYẾT VỀ TẾ BÀO QUANG ĐIỆN

1.1.Hiệu ứng quang điện

HIệu ứng quang điện là một hiện tượng điện-lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ

Hiện tượng: Khi bề mặt của tấm kim loại bị chiếu bởi bức xạ điện tử có tần số lớn hơn một tần số ngưỡng(tần số ngưỡng này là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và bậc khỏi bề mặt kim loại Khi các điện tử bị bức ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect) Các điện tử không thể bức ra nếu tần số bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp dù năng lượng được cung cấp để vượt qua khỏi rào thế (gọi là công thoát) Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện từ dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật chất, và ta có hiệu ứng quang điện trong (external photoelectric effect) Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật Do đó, người ta còn gọi hiện tượng này

là hiện tượng quang dẫn

Khi chiếu các bức xạ điện tử vào các chất bán dẫn, nếu năng lượng của photon

đủ lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất, năng lượng này sẽ giúp cho điện tử dịch chuyển

từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, do đó làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn ( độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên khi được chiếu sáng) Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra các cặp điện từ-lỗ trống cũng làm thay đổi cơ bản tính chất điện của bán dẫn Hiệu ứng này được sử dụng trong photodiode, phototransitor, pin Mặt Trời

* Các định luật quang điện và giải thích:

Có nhiều người đưa ra các mô hình giải thích khác nhau về hiệu ứng quang điện tuy nhiên đều không thành công do sử dụng mô hình sóng ánh sáng Albert Einstein là người giải thích thành công hiệu ứng quang điện bằng cách sử dụng mô hình lượng tử ánh sáng Heinrich Herzt và Stoletov là những người nghiên cứu chi tiết về hiệu ứng quang điện

Ở mỗi tần số bức xạ và mỗi kim loại, cường độ dòng quang điện (cường độ dòng điện tử phát xạ do bức điện từ) tỷ lệ thuận với cường độ chùm sáng tới

Với mỗi kim loại tồn tại một tần số tối thiểu của bức xạ điện từ mà ở dưới tần số

đó, hiện tượng quang điện không xảy ra Tần số này được gọi là tần số ngưỡng, hay giới hạn quang điện của kim loại đó Giới hạn quang điện của các kim loại thông thường (bạc, đồng, kẽm, nhôm) ở trong miền tử ngoại Giới hạn quang điện của các kim loại kiềm, kiềm thổ (canxi, natri, xesi, kali) ở trong miền ánh sáng thấy được

Ở trên tần số ngưỡng, động năng cực đại của quang điện tử không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng tới mà chỉ phụ thuộc vào tần số của bức xạ

Thời gian trong quá trình bức xạ chiếu tới và các điện tử phát ra là rất ngắn, dưới

10-9 giây

Albert Einstein đã sử dụng thuyết lượng tử để lý giải hiện tượng quan điện Mỗi

J.s là hằng số Planck

Năng lượng mà điện tử hấp thụ sẽ dùng cho 2 việc:

Thoát ra khỏi liên kết với bề mặt kim loại (vượt qua công thoát Ф)

Như vậy, theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có thể viết phương trình:

hf = Ф + Ek max (1.12)

Do động năng lun mang giá trị dương, do đó hiệu ứng này chỉ xảy ra khi:

hf ≥ Ф + Ek max (1.13)

1.2 Hiệu ứng quang điện trên hệ thống hai mức năng lƣợng

Xét một hệ thống hai mức năng lượng điện tử E1 và E2 trong đó E1< E2 Bình

ánh sáng – photon – có năng lượng là hγ với γ là tần số ánh sáng bị lượng tử hấp thụ và

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra , nhiều mức năng lượng rất sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi trạng

trên trước đó hoàn toàn trống hoặc bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bờ dưới của vùng

Khi chiếu sáng vào vật có cấu trúc vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trịhấp thụ và nó có thể di chuyển lên vùng

Lỗ trống này có thể “di chuyển” và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình sau:

ev + hv => e- + h+Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng photon và chuyển từ vùng hóa trị

năng lượng tính bằng đơn vị eV)

(1.22)

giải phóng năng

xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 ÷10-1s và gây ra dao động mạng (phonon)

Tóm lại, khi chiếu sáng vật rắn, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng

tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện trong

1.3 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang-điện

Từ các trình bày ở trên, ta có thể xác định được giới hạn lí thuyết của hiệu suất ŋ biến đổi năng lượng quang điện của hệ thống hai mức:

( )

∫ ( ) * + (1.31)

bước sóng trong khoảng λ → λ +dλ; hc/λ là năng lượng của photon Tử số của biểu thức

là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ từ photon trong quá trình quang điện, còn mẫu

cho mạng tinh thể vật rắn để tới đáy các vùng năng lượng

-Do quá trình tái tổ hợp điện tử - lỗ trống

1.4 Hiệu ứng quang điện trên lớp bán dẫn pn

Từ trên ta thấy rằng khi được chiếu sáng trên vật rắn có thể tạo ra các cặp điện tử

- lỗ trống e- và h+ liên kết yếu với nhau

bắt chúng chuyển động có hướng Hiệu ứng này có thể thực hiện nhờ một điện trường E nào đó, ví dụ như sử dụng điện trường định xứ trên lớp tiếp xúc pn giữa hai lớp bán dẫn

bản Mật độ lỗ trống pn lại lớn hơn mật độ điện tử, pn>>nn, mật độ lỗ trống pn gần bằng

Về mặt năng lượng, sự pha các tạp chất donor và acceptor và bán dẫn tinh khiết

là xuất hiện các mức năng lượng tạp chất trong vùng cấm: các mức tạp chất donor nằm

các mức tạp acceptor lại nằm sát đỉnh vùng hóa trị trong bán dẫn loại p và được biểu thị bằng dấu “- “

Khi cho các bán dẫn n và p tiếp xúc nhau, tạo ra một tiếp xúc điện tử pn, thì do chênh lệch về mật độ các hạt dẫn, các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang bán dẫn p, còn lỗ trống thì khuếch tán ngược lại Sự khuếch tán này sẽ làm cho phía bán dẫn n sát lớp tiếp xúc tích điện dương, còn phía bán dẫn p đối diện tích điện âm Trong miền tiếp xúc hình thành một điện trường tiếp xúc hướng từ bán dẫn loại n sang p ngăn cản các quá trình khuếch tán của điện tử và lỗ trống Sự hình thành điện trường tiếp xúc dẫn đến sự tạo ra một hàng rào thế năng ngăn cản sự khuếch tán của các hạt tải điện cơ bản qua lớp tiếp xúc Khi đạt trạng thái cân bằng, điện trường và hiệu điện thế tiếp xúc sẽ đạt giá trị

ổn định phụ thuộc vào bản chất vật liệu và nhiệt độ của lớp tiếp xúc và có thể biểu diễn bằng công thức sau:

Vì =nn.pn = pp.np → qUtx = kTln = kTln

điện tử

dày của lớp tiếc xúc W có thể được tính theo công thức:

điện và hằng số điện môi của bán dẫn Giá trị điển hình của W vào khoảng 0,1 ÷ 1 µm Chú ý rằng, điện trường và điện thế tiếp xúc chỉ tồn tại trong lớp tiếp xúc, ngoài lớp tiếp xúc tính chất của vật liệu không thay đổi Ở lớp tiếp xúc, các hạt dẫn điện tự do đã bị làm nghèo do quá trình tái hợp và quá trình khuếch tán của các hạt dẫn Vì vậy, điện trở của lớp tiếp xúc là rất lớn

1.5 Đặc trƣng Vôn-Ampe tối

Ta xét tính chất của lớp tiếp xúc khi chưa được chiếu sáng

Đặt một nguồn thế ngoài vào một lớp tiếp xúc pn và nghiên cứu sự phụ thuộc của dòng điện qua lớp tiếp xúc và hiệu điện thế đặt vào nó

Hãy phân cực ngược lớp tiếp xúc pn, nghĩa là nối cực dương của nguồn ngoài

bị nâng cao lên, do vậy ngăn cản các hạt tải điện cơ bản qua lớp tiếp xúc Ở trạng thái này, mặc dù dòng các hạt tải điện cơ bản được gia tốc mạnh, nhưng do mật độ nhỏ nên

Đổi phân cực nguồn ngoài, tức là phân cực thuận lớp tiếp xúc pn ( cực dương nguồn thế ngoài nối vào bán dẫn p, cực âm vào bán dẫn n) Khi đó điện trường ngoài và

quả là hàng rào thế ở lớp tiếp xúc giảm hoặc bị khử hoàn toàn, dòng các hạt tải điện có mật độ qua lớp tiếp xúc tăng rất nhanh theo quy luật hàm số mũ Hàng rào thế năng của các hạt tải cơ bản ở miền tiếp xúc khi nó bị phân cực ngược và phân cực thuận

Đường cong khi lớp tiếp xúc khi không được chiếu sáng được gọi là đường đặc trưng tối Vôn – Ampe (VA) của lớp tiếp xúc và nó được mô tả bằng phương trình điôd bán dẫn thông thường:

* + (1.51)

V là hiệu điện thế đặt vào lớp tiếp xúc pn, k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ của lớp

theo biểu thức sau:

Tóm lại, ở trạng thái không chiếu sáng, lớp tiếp xúc pn là một phần tử thụ động, không tạo ra năng lượng và có tính chất chỉnh lưu, chỉ cho dòng điện chạy qua khi nó phân cực thuận Đường đặc trưng Vôn-Ampe tối là đường đặc trưng của điod bán dẫn thông thường

1.6 Đặc trƣng Vôn-Ampe sáng – sự tạo dòng quang năng

Chiếu sáng lớp tiếp xúc pn Dưới tác dụng của các photon ánh sáng, các cặp điện

tách ra và bị gia tốc về phía đối diện tạo thành một suất điện động quang điện Nếu nối các đầu bán dẫn n và p bằng một dây dẫn thì trong dây có một dòng điện – gọi là dòng

quang điện – và có thể cho ở mạch ngoài một công suất hữu ích Suất điện động quang điện xuất hiện trong lớp tiếp xúc pn khi chiếu sáng nó, phụ thuộc vào bản chất bán dẫn, vào nhiệt độ lớp tiếp xúc, vào bước sóng và cường độ ánh sáng tới

Hiện tượng xuất hiện suất điện động quang điện ở lớp tiếp xúc pn khi chiếu sáng gọi là hiệu ứng quang điện trong (phân biệt với hiệu ứng quang điện ngoài là hiện tượng các điện tử thoát khỏi bề mặt kim loại khi chiếu ánh sách thích hợp vào bề mặt kim loại)

linh động của hạt điện µ ( tốc độ chuyển động/ đơn vị điện trường) và thời gian sống trung bình τ của cặp trước khi bị tái hợp

biểu diễn bởi:

Trong đó K là một hệ số và hiệu suất góp của lớp tiếp xúc, nó có giá trị cực đại bằng 1 Người ta cũng có thể viết:

Iph = qKNph với Nph = ∫ ( ) (1.63)

và Iph là hàm số của Eg (thông qua λc)

Ta hãy nghiên cứu đường đặc trưng Vôn-Ampe của lớp tiếp xúc pn được chiếu sáng Như đã nói ở trên, dưới tác dụng của một chùm sáng có cường độ không đổi, trong

cơ bản.Dòng tổng cộng qua lớp tiếp xúc pn khi đặt một nguồn thế ngoài V có thể biểu

I = Iph - Id = Iph - Is[exp

– 1] (1.64)

Đường đặc trưng I=f(V) gọi là đường đặc trưng V-A sáng của tiếp xúc bán dẫn

pn Từ đó có thể thấy là đường đặc trưng V-A của lớp tiếp xúc pn có thể suy ra từ đường đặc trưng V-A tối của nó bằng cách tịnh tiến theo trục OI trên hệ tọa độ OIV một giá trị bằng dòng Iph

Như vậy, một lớp tiếp xúc bán dẫn pn khi được chiếu sáng có thể trở thành một máy phát điện, cho công suất điện mạch ngoài hữu ích Thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện trong trên lớp bán dẫn pn để biến đổi trực tiếp năng lượng của ánh sáng Mặt Trời thành điện năng gọi là pin quang điện hay pin Mặt Trời.[1][2]

2.PIN MẶT TRỜI

2.1 Tổng quan về pin Mặt Trời

Năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng sạch và có thể coi là vô tận Một trong các kỹ thuật sử dụng năng lượng Mặt Trời là sản xuất điện năng – điện Mặt Trời

Để sản xuất điện Mặt Trời người ta sử dụng hai công nghệ: nhiệt Mặt Trời và pin quang điện Trong công nghệ thứ nhất, năng lượng Mặt Trời được hội tụ nhờ các hệ thống gương hội tụ (như máng parabol, gương cầu, ) để tập trung ánh sáng Mặt Trời thành các nguồn nhiệt có mật độ năng lượng cao và do đó có nhiệt độ rất cao, có thể làm bốc hơi nước ở nhiệt độ và áp suất lớn và sau đó làm quay các tuabin để sản xuất ra điện năng Còn trong công nghệ pin Mặt Trời (tế bào Mặt Trời), năng lượng Mặt Trời được trực tiếp biến đổi thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là các pin Mặt Trời, được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn điện Các pin Mặt Trời sản xuất ra điện năng một các liên tục chừng nào còn có bức xạ Mặt Trời tới nó Các hệ thống năng lượng pin Mặt Trời rất đơn giản, không có phần chuyển động, không đòi hỏi phải bảo dưỡng chăm sóc thường xuyên như các hệ thống Mặt Trời khác nên các hệ thống khác rất được quan tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diode p-n, dưới sự hiện diện của ánh sángmặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện

Các pinnăng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện

ra thị trường các pin Mặt Trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si) Pin Mặt Trời a-Si có

ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn Tuy nhiên so với pin Mặt Trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém

ổn định khi làm việc ngoài trời

Ngoài Si, người ta còn nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều hứa hẹn như hệ bán dẫn hợp chất nhóm III-V, sunfit cadmi – đồng (CuCaS), gallium-arsenit (GaAs), Tuy nhiên, hiện nay việc nghiên cứu và chế tạo pin Mặt Trời từ các vật liệu khác Si chỉ mới ở phạm vi và thử nghiệm

Một hướng khác nhằm nâng cao hiệu suất biến đổi của pin Mặt Trời là thiết kế, chế tạo các pin Mặt Trời gồm một số lớp tiếp xúc để tăng khả năng hấp thụ photon có năng lượng khác nhau trong phổ bức xạ Mặt Trời

b Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc – đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn nhưng chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn các đơn tinh thể

c.Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể, loại này thường có hiệu suất thấp nhất do đó loại này rẻ nhất vì không cần phải cắt từ thỏi silicon Các công nghệ trên là sản phẩm tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300µm tạo thành và xếp lại để tạo nên module

2.2.3Nguyên lí làm việc của pin Mặt Trời:

Hình 2.21 Cơ chế hoạt động của pin Mặt Trời [6]

Hình 2.22 Cơ chế hoạt động của pin Mặt Trời [6]

Tóm lại, pin Mặt Trời làm việc theo nguyên lý biến đổi trực tiếp năng lượng bức

xạ Mặt Trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.[3]

a Đặc tuyến IV của pin Mặt Trời

Dựa trên những tiền đề của Shockley và không có chiếu sáng ta có sự liên hệ giữa dòng quang điện và điện thế cho lớp chuyển tiếp p-n:

thế nhiệt, với T=300K

Dưới một bức xạ đặc tuyến I(V) bị dịch chuyển theo chiều âm của trục tọa độ I

Nếu lớp chuyển tiếp p-n trong phần I và III của mặt phẳng tọa độ, lớp p-n đóng vai trò như một Photodiode Trong trường hợp này sự dịch chuyển của đặc tuyến theo cường độ chiếu sáng được sử dụng trong các mạch điện dùng để đo đạc hay tự động hóa…

Nếu lớp chuyển tiếp p-n làm việc trong phần tư thứ IV của mặt phẳng tọa độ thì điện thế của lớp chuyển tiếp p-n và dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n có dấu khác nhau, ta có chế độ làm việc của một máy phát điện Linh kiện này được gọi là tế bào mặt trời hay tế bào quang điện Tế bào quang điện có khả năng cho ta một công suất

Khi những photon của ánh sáng thẩm thấu vào mạng tinh thể của lớp chuyển tiếp p-n thì nó sẽ truyền năng lượng cho mạng tinh thể Năng lượng này kích thích các nguyên tử của mạng tinh thể để cho các electron ở tầng ngoài được tự do Các electron này biến thành các electron dẫn điện và để lại các nguyên tử có điện tích dương Ta gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang điện bên trong Điện thế khuếch tán hút các electron tự diode này từ vùng sang vùng n và các lỗ trống từ vùng n sang vùng p

Vùng n sẽ được tích tụ rất nhiều electron và vùng p tích tụ rất nhiều lỗ trống đến khi nào điện trường được hình thành từ electron và lỗ trống trung hòa điện thế khuếch tán Ta có điện thế hở của tế bào mặt trời Nối tắt vùng p-n của tế bào mặt trời ta

b Hiệu suất biến đổi quang năng thành điện năng

Khi nói về cơ chế hoạt động của của một lớp p-n khi bị chiếu sáng Hai thông số quan trọng của tế bào quang điện hay tế bào mặt trời đó là hiệu suất biến đổi và công suất hiệu dụng Khác với tế bào mặt trời, tế bào quang điện được cấu tạo với những cấu trúc

bé cho công suất nhỏ và không được tối ưu cho phổ mặt trời Mặt trời cho một phổ rộng nhưng vật liệu bán dẫn chỉ hấp thụ ánh sáng đơn sắc cho dòng quang điện hữu ích Và chỉ

có những quang tử có năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm mới đóng vai trò biến đổi năng lượng Những quang tử còn lại chỉ tạo nhiệt năng tỏa vào mạng tinh thể Khoảng cách vùng cấm càng bé thì thì số quang tử hữu ích biến thành điện năng càng lớn, nhưng điện thế quang điện càng bé, hiệu suất biến đổi là tỷ lệ công suất hiệu dụng lớn nhất và hệ

số mặt trời S là:

Năng lượng mặt trời đến bề mặt trái đất tùy thuộc vào nhiệt độ của bề mặt mặt trời và khoảng cách giữa mặt trời và trái đất Nó giảm theo bình phương của khoảng cách giữa chúng Phản ứng nhiệt hạch bên trong mặt trời cung cấp liên tục năng lượng mà mặt trời phóng thích Các ngôi sao trong vũ trụ có nhiệt độ bề mặt từ 5000K đến 10.000K Mặt trời có nhiệt độ khoảng 5800K Với nhiệt độ này thì các nguyên tử được thể hiện dưới dạng nguyên tử phần lớn đều bị ion hóa và cho ta một số lượng lớn đường hấp thụ, lớp khí trên bề mặt của mặt trời có thể coi như vật đen phát ra bức xạ Theo định luật Stefan – Boltzmann thì năng lượng của một vật đen sẽ tăng theo lũy thừa bậc bốn theo nhiệt độ của nó

Ta có công suất bức xạ từ mặt trời đến trái đất như sau:

quỹ đạo của trái đất có hình elip nên công suất này thay đổi theo thời gian trong năm Công suất lớn nhất có thể lấy được từ một tế bào mặt trời tùy thuộc vào điện tích ngăn cách bởi đặc tuyến I(U) và hai trục tọa độ với dòng ngắn mạch và điện thế mạch hở Đặc tuyến trong vùng này bị thay đổi do ảnh hưởng của điện trở vật liệu bán dẫn Công suất của tế bào mặt trời còn bị các nguyên nhân khác làm suy giảm đi do sự tái hợp trong vùng điện tích không gian và vùng dẫn điện và sự phản chiếu

c Nguyên lí của pin Mặt Trời nhiều mức năng lƣợng

Cho đến đây ta chỉ nghiên cứu sơ đồ hệ thống pin Mặt Trời hai mức hay hai vùng năng lượng và đã chỉ ra rằng giới hạn thực tế của hiệu suất biến đổi năng lượng của

suất thấp trong hệ thống hai mức là vì hệ chỉ hấp thụ các photon tới có năng lượng thỏa

vật liệu mà không gây ra hiệu ứng quang điện Vì vậy, người ta đã tìm kiếm các sơ đồ để

có thể tận dụng phần năng lượng truyền qua và qua đó có thể vượt qua giới hạn hiệu suất nói trên Dưới đây ta đã nghiên cứu các hệ thống pin Mặt Trời bao gồm một số mức năng lượng

Trước hết xét sơ đồ hệ thống gồm ba hệ hai mức năng lượng có năng lượng dùng cấm giảm dần Eg1 > Eg2> Eg3 (hay c1c2 c3) Ánh sáng được chiếu tới từ vật liệu có

Còn các photon có năng lượng hυ < Eg1 sẽ tới được lớp tiếp xúc thứ hai Sau đó các

Như vậy, một sơ đồ như trên có thể hấp thụ tất cả các photon có năng lượng

hυ > Eg3 ; Eg3<< Eg1 (2.25)

đồ hệ thống hai mức Như vậy r ràng hiệu suất của sơ đồ ba hệ thống này sẽ cao hơn

Năng lượng của bức xạ Mặt Trời (photon) được biến đổi thành điện năng qua hệ thống trên có thể biểu diễn như sau:

Trong đó J là mật độ photon có bước sóng ;c1,c2,c3, là các bước sóng giới

Về nguyên tắc khi tăng số lượng hệ thống con thì các photon bị hấp thụ cũng tăng lên và do đó hiệu suất biến đổi quang điện cũng tăng theo Dòng quang điện được tạo ra trong các lớp con phải bằng nhau, tức là:

Điện thế hở mạch trên một lớp tiếp xúc p-n có thể viết:

D g

ocn

qKN

L Ag q

kT q

E

V  n  ln 0

03 02 01

ph ph

oc m

qKN

L Ag q

kT n q

E qfKN

I fV

Ta thấy hiệu suất biến đổi quang – điện là một hàm số của hệ số con n

Hình 2.23 Cấu trúc của pin mặt trời ba lớp tiếp xúc [6]

Pin Mặt Trời có cấu trúc nhiều lớp xếp chồng lên nhau được gọi là pin Mặt Trời xếp chồng hay “bánh kẹp” (tandem) Hiệu suất biến đổi của một hệ thống có thể đạt đến 40 % đối với số năng lượng đủ lớn Trong thực tế do khó khăn về vật liệu nên số năng lượng bị giới hạn Ngoài ra hiệu suất chỉ tăng đáng kể khi n còn nhỏ, còn khi n lớn sự tăng hiệu suất là không nhiều Vì vậy, ý tưởng xây dựng một hệ thống Pin Mặt Trời nối tiếp nhiều lớp tiếp xúc thực tế chỉ giới hạn với n = 3 4

2.3 Các đặc trưng của pin Mặt Trời:

2.3.1 Sơ đồ mạch tương đương

Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p-n bằng một dây dẫn, thì pin Mặt

dòng

Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu tương đương một diode Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn nên vẫn có một dòng điện (gọi là dòng dò) qua nó Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc p-n người ta đưa vào đại lượng

Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các tiếp xúc, Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một điện trở R, nối tiếp trong mạch (có thể coi là điện trở trong của pin Mặt Trời) Vậy một pin Mặt Trời được chiếu sáng có sơ đồ điện tương đương như hình:

Hình 2.31 Sơ đồ mạch tương đương của pin Mặt Trời và đường đặc trưng sáng của pin

Mặt Trời

Từ sơ đồ ta có thể dễ dàng viết được phương trình đặc trưng sáng vôn–ampe của

pin Mặt Trời như sau:

sh

s s

s ph sh d ph

R

I R V nkT

I R V q I

I I I I

n được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công

nghệ chế tạo pin Mặt Trời Gần đúng có thể lấy n = 1;

q là điện tích của điện tử (C)

thức trên Đường đặc trưng sáng von–ampe của pin Mặt Trời cho bởi biểu thức có dạng như đường cong Có 3 điểm quan trọng trên đường đặc trưng này:

- Điểm làm việc công suất cực đại PM;

2.3.2 Dòng đoản mạch I SC

ngoài (chập các cực ra của pin) Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng V = 0 Đặt giá trị V = 0 vào phương trình (*) ta có:

sh

SC S SC

S S

ph SC

R

I R nkT

I qR I

I

I   exp 1

(2.32)

Ở các điều kiện chiếu sáng bình thường (không có hội tụ) thì hiệu ứng điện trở nối

E

I

6.5 cho thấy các đường đặc trưng V-A của pin Mặt Trời phụ thuộc vào cường độ chiếu

/

30mA cm

ưu có công suất cực đại ở các cường độ bức xạ khác nhau

2.3.3 Thế hở mạch V OC

= ) Khi đó dòng mạch ngoài I = 0 Đặt giá trị đó của dòng mạch ngoài vào (*) và giả

S OC S

ph OC

S

nkT

qV I

I nkT

qV I

I

I ph S S exp OC

S

S ph OC

I

I I q

I

I q

nkT

làdòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt và bị gia tốc bởi điện

trường tiếp xúc Khi nhiệt độ của pin Mặt Trời tăng dòng bão hòa Is cũng tăng lên theo hàm mũ:

Hình 2.32 Sụ phụ thuộc đặc trưng V-A của pin Mặt Trời vào cường độ bức xạ Mặt Trời

Is = qAgthLD = qALDg0

g th 0 exp g

q

E g

mà đến lượt nó lại tăng tuyến tính với cường độ bức xạ chiếu sáng Kết quả là thế hở

0,4 0,3

0,2 0,1

nhiệt độ Mặt Trời tăng Đối với pin Mặt Trời tinh thể Si, khi nhiệt độ tăng trong khoảng

2.3.4 Đi m làm việc công suất cực đại P M

Xét một đường đặc trưng V-A của pin Mặt Trời đối với một cường độ bức xạ cho trước và ở nhiệt độ xác định Nếu các cực của pin Mặt Trời được nối với một tải tiêu thụ điện R thì điểm cắt nhau của đường đặc trưng V-A của pin Mặt Trời và đường đặc trưng của tải trong tọa độ OIV là điểm làm việc của pin Mặt Trời Nếu tải tiêu thụ điện của pin Mặt Trời là một tải điện trở Ohm thuần, thì đường đặc trưng tải là một đường thẳng qua

Trong tọa độ OIV, công suất pin Mặt Trời cấp cho tải R bằng điện tích hình chữ nhật giới hạn bởi hoành độ và tung độ của điểm làm việc Với giá trị R khác nhau, các điểm làm việc sẽ khác nhau và do đó công suất tải tiêu thụ cũng khác nhau Tồn tại một

đường đặc trưng V-A của pin Mặt Trời và đường công suất không đổi (đường công suất không đổi IV = const là các đường hyperbol)

Hình 2.34 Điểm làm việc và điểm làm việc công suất cực đại [6]

định luật Ohm:

OPT

OPT OPT

I

V

Ở điều kiện cường độ bức xạ không đổi và ở nhiệt độ cho trước ta thấy:

(hình 2.34) là miền mà cường độ dòng điện gần như không đổi và gần bằng dòng đoản mạch ISC

- Nếu điện trở tải lớn, R >> ROPT, pin Mặt Trời sẽ làm việc trong miền PS

R ràng là pin Mặt Trời chỉ làm việc có hiệu quả khi tải tiêu thụ điện có giá trị lân

đối với một máy tiêu thụ điện cũng thay đổi Ngoài ra bức xạ Mặt Trời và nhiệt độ của môi trường thay đổi liên tục theo thời gian, nên đường đặc trưng V-A của pin Mặt Trời cũng thay đổi và do đó làm dịch chuyển điểm làm việc ra khỏi điểm làm việc tối ưu Dưới đây ta sẽ xét một số tải tiêu thụ điển hình trong các hệ pin Mặt Trời được dùng hiện

nay, và sẽ thấy rằng, đối với mỗi loại tải, việc thiết kế để hệ thống đạt được hiệu suất cao, đòi hỏi những yêu cầu riêng

2.3.5 Các điều iện về tải tiêu thụ điện

Tải là tên gọi chung cho các thiết bị tiêu thụ điện (ví dụ: đ n, acquy, máy bơm, radio, ) Trong trường hợp tổng quát, điểm làm việc của pin Mặt Trời hay hệ pin Mặt Trời cũng được xác định bởi điểm cắt giữa các đường đặc trưng V-A của nó và đường tải

Ở đây ta chỉ xét đến các tải tiêu thụ điện một chiều

Một số tải tiêu thụ như các acquy điện hóa là tải có điện thế gần như không đổi, đường đặc trưng V-A của nó là một đường gần song song với trục OI trên mặt phẳng tọa

độ IOV (đường 5, hình 2.35) Trong khi đó bơm nước loại pittong (có bánh xe quán tính)

ở một cột nước cho trước là tải có dòng không đổi, đường đặc trưng của nó (đường 3, hình 2.35) là một đường gần song song với trục OV Trong hình này cũng vẽ một số đường tải khác như bơm ly tâm và điện trở thuần Ohm

Một đặc điểm của hệ thống pin Mặt Trời là đặc trưng V-A của nó thay đổi theo cường độ ánh sáng Mặt Trời chiếu lên nó Ở mỗi cường độ sáng cho trước, hệ có một đường đặc trưng và do đó một điểm làm việc cho công suất cực đại riêng Tập hợp các điểm làm việc cho công suất cực đại đối với các cường độ sáng khác nhau tạo ra một

đường gọi là đường công suất cực đại (đường nét đứt trong hình 2.35)

Hình 2.35 Các đường đặc trưng V-A của pin Mặt Trời khi cường độ sáng thay đổi

và các đường đặc trưng tải điển hình [6]

(1): đường công suất đại cực đại; (2): bơm ly tâm;

(3): bơm pittông; (4): điện trở thuần; (5): acquy điện hóa

Để đánh giá sự phù hợp giữa một nguồn năng lượng pin Mặt Trời và một tải tiêu thụ nào đó, ta có thể xem xét đường công suất cực đại của nguồn và đường tải của thiết bị tiêu thụ điện R ràng nếu tải là một bơm ly tâm nối trực tiếp với pin Mặt Trời hoặc

acquy điện hóa thì dễ dàng tạo sự phù hợp tốt Các trường hợp tải bơm pittông hoặc điện trở thì rất khó tạo được hệ thống cho hiệu quả cao

Một hệ thống năng lượng pin Mặt Trời (đơn giản) thông thường có 3 phần như hình 6.9 Tấm pin Mặt Trời nhận năng lượng ánh sáng để biến đổi thành điện năng Bộ acquy tích trữ năng lượng cho những khi không có nắng (vì ban đêm hoặc ngày không có nắng) Tải là các thiết bị tiêu thụ điện như đ n chiếu sáng, radio, TV, các thiết bị thông tin, bơm nước,

nh 2.36 Sơ đồ khối hệ nguồn pin Mặt Trời đơn giản

Các thành phần này thường được mắc song song Theo định luật Kirchoff về dòng điện ta có:I

p = IB + IL

IL là dòng tải tiêu thụ

Tùy theo dấu của (I P I L)I B mà có thể xác định được vị trí tương đối giữa đường đặc trưng V-A của tấm pin Mặt Trời và của tải phụ thuộc vào sự biến đổi của

phóng điện cấp cho tải

Nếu trong hệ có thêm tải xoay chiều thì ngoài các thành phần trên trong hệ thống còn phải thêm Bộ biến đổi điện, biến đổi điện một chiều từ acquy hay dàn pin Mặt Trời thành điện xoay chiều

2.3.6 Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin Mặt Trời

Có năm tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin Mặt Trời Đó là:

Các tham số trên được gọi là các tham số “chủ quan” của pin Mặt Trời Hai tham số

“khách quan” khác là:

- Cường độ bức xạ Mặt Trời E;

- Nhiệt độ của pin T

Ở điều kiện bức xạ bình thường (không hội tụ) các tham số trên có xem như các

qua

6 5 4 3 2 1 6

1

R R R R R R R R

i i



Mặt Trời Về mặt đồ thị, các điện trở này sẽ làm biến đổi dạng của đường đặc trưng

nghiên của đường đặc trưng trong miền pin Mặt Trời làm việc như một nguồn dòng (hình

2.37)

Hình 2.37 Các thành phần của điện trở nội R s của pin Mặt Trời [6]

Hình 2.38 Đặc trưng sáng V-A của pin Mặt Trời phụ thuộc điện trở nội R s

và điện trở Shun R Sh [6]

2.3.7 Vật bán dẫn thích hợp cho hiệu suất cao

Tế bào mặt trời là một linh kiện quang điện tử nhạy với ánh sáng và có hiệu suất làm việc cao với ánh sáng mặt trời Vì vậy, muốn chế tạo được tế bào mặt trời ta cần phải đến quang phổ của mặt trời sao cho thích hợp để có thể tạo ra đôi điện tích electron

và lỗ trống thỏa điều kiện sau:

photon sinh ra một đôi electron và lỗ trống Điều đó có nghĩa là với những quang tử có

đôi điện tích nào nữa mà chỉ đưa các electron trong vùng dẫn lên những mức năng lượng cao hơn

- Nếu ta coi mặt trời là một vật đen lý tưởng và với định luật bức xạ Planck thì Silic với độ rộng vùng cấm là 1,2eV là vật liệu tốt nhất để chế tạo tế bào mặt trời với

+ Mặt trời trên thực tế không phải là vật đen lý tưởng

+ Bức xạ mặt trời ở độ cao của mặt biển bị ảnh hưởng bởi bầu khí quyển (bị hấp thụ hay phát xạ)

Bên cạnh đó cũng có một số nguyên nhân làm suy giảm hiệu suất của tế bào mặt trời là do kỹ thuật chế tạo Với GaAs ta có điện thế khuếch tán lớn hơn Silic Do đó

100

50mA/cm2 Silic cần nhiều quang tử với năng lượng thấp trong khi đó GaAs cần ít quang tử hơn, nhưng quang tử với năng lượng cao hơn để biến đổi quang năng thành điện năng

Với vật liệu GaAs ánh sáng được hấp thụ hầu hết ở bề mặt, trong khi đó độ thẩm thấu của ánh sáng đối với Silic kéo dài đến bên trong thể tích Điều đó có nghĩa là tế bào mặt trời với vật liệu là Silic với phẩm chất bên trong tốt – độ dài khuếch tán cần khá lớn Đối với tế bào mặt trời loại GaAs cần có sự tái hợp bề mặt thật bé Bề mặt của GaAs được phủ một lớp AlAs để làm lớp bão hòa các hóa trị chưa liên kết của GaAs và được coi là tâm tái hợp, AlAs có độ rộng vùng cấm lớn hơn GaAs nên các tia sáng được hấp thụ trong GaAs được dễ dàng hơn

Tuổi thọ của loại tế bào mặt trời đơn tinh thể Silic có thể kéo dài đến 50 năm, loại đa tinh thể rẻ tiền hơn và đạt hiệu suất khoảng 6% - 8%

Trong suốt thời gian sống của tế bào mặt trời nó có thể thu được năng lượng lớn hơn nguồn năng lượng chế tạo ra nó

2.4 Công nghệ chế tạo pin Mặt Trời Si

Hiện nay, khoảng 90% các pin Mặt Trời được sản xuất và ứng dụng là các pin Mặt Trời từ vật liệu Silicon (Si) dưới dạng hoặc đơn tinh thể, đa tinh thể hoặc vô định hình nhưng chủ yếu là dạng tinh thể Vì vậy dưới đây ta chỉ nghiên cứu công nghệ chế tạo pin Mặt Trời tinh thể Si Quá trình công nghệ này gồm sáu công đoạn như sau:

- Sơ lọc các thạch anh để có silicon có độ sạch kỹ thuật (độ sạch luyện kim)

- Làm sạch tiếp để có silicon có độ sạch bán dẫn

- Tạo các đơn tinh thể Si từ silicon có độ sạch bán dẫn

- Pha tạp để có Si-n và Si-p và tạo tiếp xúc p-n

- Tạo tiếp xúc điện, điện cực, lớp chống phản xạ

- Tạo module, kiểm tra, phân loại

2.4.1 Sơ lọc các thạch anh đ có silicon có độ sạch kỹ thuật

cho phản ứng với cacbon (C) để cho silicon (Si) có độ sạch kỹ thuật theo phản ứng:

SiO2 + 2C Si + 2CO