Pin mặt trời hay pin quang điện (PV) là một thiết bị bán dẫn chuyển đổi ánh sáng trực tiếp thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện . Vật liệu phổ biến nhất trong sản xuất pin mặt trời là silicon tinh khiết có thể được ứng dụng theo nhiều cách khác nhau.
Tế bào quang điện silicon đơn tinh thể (PV)
Pin quang điện silicon đơn tinh thể được làm từ các tấm silicon được cắt từ các thỏi silicon đơn tinh thể hình trụ. Các ô tròn phải được cắt để tạo thành các ô gần như bậc hai, có thể dễ dàng tích hợp vào một mô-đun. Do đó, silicon tinh chế bị lãng phí trong quá trình sản xuất tế bào. Vật liệu cắt được tạo ra trong quá trình tạo hình vuông sẽ được tái chế thông thường trong sản xuất tấm bán dẫn đa tinh thể hoặc làm vật liệu đầu vào cho quá trình sản xuất polysilsicon do chi phí làm sạch cao hơn khi cấp trực tiếp vào quy trình kết tinh CZ-mono.
Silicon đơn tinh thể có đặc tính đồng nhất và có thể dự đoán được, tuy nhiên, do yêu cầu quy trình sản xuất chậm và cẩn thận nên đây cũng là loại silicon đắt tiền nhất.
Thời gian xử lý chậm và mức tiêu thụ năng lượng cao hơn trong quy trình kết tinh CZ được bù đắp bằng lợi thế của việc cắt tấm wafer mỏng hơn trong quy trình Cắt dây kim cương. Vì vật liệu wafer đa tinh thể sẽ tạo ra độ vỡ tế bào cao hơn dưới 180 micron trong quá trình tế bào, nên wafer đơn tinh thể có thể mỏng tới 120-160 micron.
Các mô-đun bao gồm các tế bào quang điện silicon đơn tinh thể đạt hiệu suất thương mại từ 15 đến 18%. Cho đến nay, chúng là những mô-đun hiệu quả nhất và chiếm khoảng 85% vào năm 2010, có thị phần lớn nhất. Tuy nhiên, các lựa chọn thay thế khác đang thách thức công nghệ này.
Pin mặt trời được làm từ tấm wafer silicon đơn tinh thể
Tế bào quang điện silicon đa tinh thể (PV)
Pin PV silicon đa tinh thể hoặc đa tinh thể được làm từ các thỏi vuông đúc – những khối silicon nóng chảy lớn; được làm nguội và đông đặc cẩn thận. Sản xuất chúng ít tốn kém hơn so với pin quang điện silicon đơn tinh thể, nhưng kém hiệu quả hơn một chút, với hiệu suất chuyển đổi mô-đun trong khoảng từ 13 đến 16.
Tế bào quang điện đa tinh thể được dát lớp vào vật liệu nền trong môđun quang điện
Tế bào quang điện màng mỏng (PV)
Các công nghệ màng mỏng khác nhau hiện đang được phát triển làm giảm số lượng (hoặc khối lượng) vật liệu hấp thụ ánh sáng cần thiết để tạo ra pin mặt trời. Điều này có thể dẫn đến giảm chi phí xử lý so với vật liệu khối (trong trường hợp màng mỏng silicon) nhưng cũng có xu hướng giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng (hiệu suất mô-đun trung bình từ 6 đến 12%). [1]
Tế bào quang điện màng mỏng được chế tạo bằng cách lắng đọng các lớp vật liệu bán dẫn quang điện cực mỏng lên vật liệu nền như thủy tinh, thép không gỉ hoặc nhựa. Vật liệu màng mỏng được sử dụng thương mại là silicon vô định hình (a-Si), cadmium Telluride (CdTe) và đồng-indium-(gallium)-diselenide (CI(G)S). [1]
Các mô-đun màng mỏng có sẵn trên thị trường:
- Có khả năng sản xuất rẻ hơn so với tế bào tinh thể
- Có sức hấp dẫn khách hàng rộng rãi hơn như các yếu tố thiết kế do vẻ ngoài đồng nhất của chúng
- Những nhược điểm hiện tại, chẳng hạn như hiệu suất chuyển đổi thấp và yêu cầu diện tích mảng PV lớn hơn và nhiều vật liệu hơn (cáp, kết cấu hỗ trợ) để sản xuất cùng một lượng điện
Mảng quang điện CdTe
Pin mặt trời thế hệ thứ ba
Hiện nay có các loại pin mặt trời dựa trên các công nghệ mới khác nhau đang trong quá trình trưởng thành trên thị trường, ví dụ như pin hiệu suất cao:
Pin mặt trời màng mỏng III-V:
- của các chất bán dẫn thuộc nhóm thứ ba và thứ năm trong bảng tuần hoàn.
- Hiệu suất 20-25% [2]
- Sự kết hợp đa dạng có thể tăng giá đồng thời tăng hiệu quả
- Kết nối phổ biến nhất: gallium arsenide (GaAs),
- ứng dụng: Cung cấp năng lượng cho vệ tinh
Màng mỏng nhiều lớp:
- “Xếp chồng” pin mặt trời III-V hoặc pin silicon
- Hiệu suất lên tới xấp xỉ 37% [2] – Mỗi tế bào hấp thụ một bước sóng nhất định và sau đó ngăn xếp có thể hấp thụ nhiều hơn từ quang phổ mặt trời
- Vật liệu ô trên cùng có khoảng cách dải cao nhất và bao phủ vùng hấp thụ cao nhất. Các tế bào bên dưới hấp thụ phần quang phổ mặt trời có bước sóng nhỏ hơn.
- Kết nối nối tiếp của các ô bên trên
- Các tên gọi khác của pin mặt trời nhiều ngăn (tùy thuộc vào số lớp) là: Pin song song, pin ba hoặc nhiều tầng.
Bộ tập trung quang điện
| Quang điện tập trung (CPV) dựa trên thấu kính hoặc gương tập trung ánh sáng mặt trời trực tiếp vào pin mặt trời. Những tế bào này bao gồm một lượng nhỏ vật liệu PV hiệu quả cao nhưng đắt tiền (silicon hoặc hợp chất III-V, thường là gallium arsenide hoặc GaA). Hiện nay cường độ tập trung thay đổi từ hệ số 2 đến 100 mặt trời (nồng độ thấp) đến 1000 mặt trời (nồng độ cao). Hiệu suất của mô-đun thương mại nằm trong khoảng từ 20 đến 25%, mặc dù hiệu suất từ 25 đến 30% có thể đạt được với gali arsenide [3] . Hiệu suất 41,1% đã đạt được trong phòng thí nghiệm bởi Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, Đức (cường độ tập trung: 450 mặt trời) [4] .Theo thứ tự, các mô-đun Bộ tập trung mặt trời được gắn trên hệ thống theo dõi 2 trục. Trong trường hợp PV nồng độ thấp, tồn tại hệ thống theo dõi 1 trục và thấu kính ít phức tạp hơn. |
mô-đun tập trung
Pin mặt trời hữu cơ
Pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm lai:
thay vì vật liệu bán dẫn, pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm lai sử dụng thuốc nhuộm hữu cơ để hấp thụ ánh sáng. Màn hình lụa đơn giản cho phép tiết kiệm chi phí sản xuất và cung cấp các phạm vi thiết kế khác nhau như thực hiện ở mặt tiền hoặc cho mục đích quảng cáo [5] . Pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm lai có thể sử dụng ánh sáng mặt trời khuếch tán. Hiệu suất trung bình thay đổi từ 2 đến 4%.
Pin mặt trời hoàn toàn hữu cơ:
Pin mặt trời hữu cơ vẫn đang ở giai đoạn phát triển ban đầu. Những tế bào này bao gồm các hợp chất hydrocarbon hữu cơ cũng như cấu trúc điện tử đặc biệt và có thể tạo ra điện trên lá kim loại và vải dệt. Hiện nay, hiệu suất trung bình của tế bào thay đổi từ 3 đến 5% [5] . Tiêu thụ nguyên liệu ít và công nghệ sản xuất hiệu quả hơn dẫn đến tiềm năng cao về sản xuất tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên, vẫn cần có hoạt động nghiên cứu vì thời gian tồn tại rất ngắn.
Mô-đun năng lượng mặt trời
Đối với hầu hết tất cả các ứng dụng, một nửa volt được tạo ra bởi một tế bào là không đủ. Vì vậy, các tế bào được mắc nối tiếp với nhau để tăng hiệu điện thế. Một số chuỗi tế bào này có thể được kết nối song song với nhau để tăng dòng điện. [6]
Để sử dụng các ô được kết nối trong các ứng dụng thực tế, chúng phải:
- được bảo vệ khỏi hư hỏng cơ học trong quá trình sản xuất, vận chuyển, lắp đặt và sử dụng (đặc biệt chống lại tác động của mưa đá, tải trọng gió, cát và tuyết). Điều này đặc biệt quan trọng đối với các tế bào silicon dựa trên tấm wafer vốn dễ gãy.
- được bảo vệ khỏi hơi ẩm, chất ăn mòn các điểm tiếp xúc và liên kết kim loại, (và đối với tế bào màng mỏng, lớp oxit dẫn điện trong suốt) do đó làm giảm hiệu suất và tuổi thọ.
Do đó, các tế bào được liên kết với nhau và các kết nối điện của chúng được kẹp giữa lớp thủy tinh hoặc nhựa trong trên cùng và lớp nhựa hoặc nhựa và kim loại thấp hơn. Một khung bên ngoài được gắn vào để tăng độ bền cơ học và tạo cách để gắn thiết bị. Gói này được gọi là “mô-đun” hoặc “bảng điều khiển”. Thông thường, mô-đun là khối xây dựng cơ bản của hệ thống quang điện. [6]
Công suất cực đại của mô-đun năng lượng mặt trời phụ thuộc vào số lượng tế bào được kết nối và kích thước của chúng. Hiệu suất của mô-đun thường được đánh giá theo Điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (STC) : bức xạ 1.000 W/m2 , quang phổ mặt trời AM 1,5 và nhiệt độ mô-đun ở 25°C. Các mô-đun năng lượng mặt trời được đánh giá theo công suất đỉnh [Wp ] theo sản lượng của chúng theo STC. Do đó, một mô-đun 50 W p có thể được kỳ vọng sẽ cung cấp công suất 50 W trong điều kiện tối ưu. Hiệu suất bị giảm bởi nhiệt độ cao. [6]
Giống như các mô-đun pin mặt trời có thể được kết nối nối tiếp và/hoặc song song để tăng điện áp và/hoặc dòng điện tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống. [6]
So sánh các loại mô-đun PV khác nhau
So sánh các loại mô-đun PV khác nhau [7] [8] :
| Vật liệu tế bào | Hiệu suất mô-đun | Diện tích bề mặt cần thiết cho 1 kW p | Thuận lợi | Nhược điểm |
| Silic đơn tinh thể | 15-18% | 7-9 mét vuông | – mô-đun PV hiệu quả nhất – dễ dàng có sẵn trên thị trường – được tiêu chuẩn hóa cao | – đắt nhất – lãng phí silicon trong quá trình sản xuất |
| Silic đa tinh thể | 13-16% | 8-9 mét vuông | – cần ít năng lượng và thời gian hơn cho sản xuất so với pin đơn tinh thể (= chi phí thấp hơn) – dễ dàng có sẵn trên thị trường – được tiêu chuẩn hóa cao | – kém hiệu quả hơn một chút so với các mô-đun silicon đơn tinh thể |
| Song song vi hình (aµ-Si) | 6-9% | 9-12 mét vuông | – cần nhiều không gian hơn cho cùng một đầu ra | |
| Màng mỏng: Copper indium diselenide (CIS) | 10-12% | 9-11 mét vuông | – nhiệt độ và bóng râm cao hơn có tác động ít hơn đến hiệu suất – chi phí sản xuất thấp hơn | – cần nhiều không gian hơn cho cùng một đầu ra |
| Màng mỏng: Cadmium Telluride (CdTe) | 9-11% | 11-13 mét vuông | – nhiệt độ và bóng râm cao hơn có tác động ít hơn đến hiệu suất – khả năng cắt giảm chi phí cao nhất | – cần nhiều không gian hơn cho cùng một đầu ra |
| Màng mỏng: Silicon vô định hình (a-Si) | 6-8% | 13-20 mét vuông | – nhiệt độ và bóng râm cao hơn có tác động ít hơn đến hiệu suất – cần ít silicon hơn cho sản xuất | – cần nhiều không gian hơn cho cùng một đầu ra |
Để so sánh giá của các mô-đun khác nhau, cơ sở dữ liệu tiếp theo hiển thị các giá trị cập nhật hàng tháng: Solarserver.de
Do hiệu quả cao, các mô-đun silicon đơn và đa tinh thể tiêu chuẩn hóa và thâm nhập thị trường là những mô-đun phổ biến nhất được sử dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời gia đình (SHS). Tuy nhiên, thị phần của mô-đun màng mỏng đang tăng lên, đặc biệt là trong các hệ thống PV tích hợp và đứng độc lập .
