(H2N2)-Ý tưởng về sử dụng năng lượng mặt trời đã xuất hiện cách đây hơn 100 năm, nhưng mãi cho tới ngày nay thì công nghệ mới đáp ứng được điều này. Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái sinh tốt nhất bởi vì chúng ta sẽ không bao giờ thấy ánh sáng mặt trời bị cạn kiệt cả. Tuy nhiên để sử dụng được năng lượng mặt trời chúng ta cần có các tấm bảng pin mặt trời. Thực tế, các loại bảng pin mặt trời đã phổ biến đối với mọi người, tuy nhiên giá thành sản phẩm thì không rẻ.
Để đầu tư cho một hộ gia đình sử dụng thì cần khoảng từ 30 triệu đồng đến 54 triệu đồng để có thể sử dụng nguồn điện từ năng lượng mặt trời. Để có thể hiểu hơn về pin mặt trời và giải quyết vấn đề giá thành sản phẩm thì qua bài viết này bạn có thể biết được điều đó, ngoài ra bạn cũng có thể tự làm một pin mặt trời ở nhà mà không cần tốn nhiều chi phí.
Pin mặt trời được sản xuất dựa trên cơ sở vật liệu bán dẫn, và nguyên tắc hoạt động là các vật liệu bán dẫn sau khi hấp phụ ánh sáng mặt trời sẽ chuyển trực tiếp năng lượng mặt trời thành các điện tử. Tùy theo các loại vật liệu khác nhau có thể chia pin mặt trời thành các nhóm: 1. Pin mặt trời silicon, 2. Pin mặt trời sử dụng các hợp chất muối vô cơ như hợp chất gallium- arsenide (III) đến (V), hợp chất cadimi-sulfide, hợp chất Đồng-indium-selenium; 3. Pin mặt trời polymer; 4. Pin mặt trời tinh thể nano.
Pin mặt trời Silicon
Cấu trúc của pin mặt trời silicon và nguyên tắc hoạt động
Cấu trúc của bán dẫn thông thường có cấu trúc như sau:
Như trong hình thì các điện tích dương (+) là các nguyên tử silicon, và điện tích âm (-) là các điện tử xung quanh nguyên tử silicon. Xung quanh mỗi nguyên tử silicon đều có 4 điện tử.Khi phối trộn giữa silicon và boron chúng ta sẽ thu được một tinh thể có cấu trúc như sau:
Trong hình này, điên tích dương (+) là các nguyên tử silicon, điện tích âm (-) là các điện tử xung quanh nguyên tử silicon, và các ô màu vàng là các nguyên tử boron, màu xanh là các lỗ trống. Các nguyên tử boron chỉ cần 3 điện tử xung quanh là trung hòa điện tích, trong khi nguyên tử silicon cần tới 4 điện tử mới trung hòa điện tích, nên sẽ hình thành một lỗ trống ở vị trí giữa hai nguyên tử silicon và boron. Lỗ trống sẽ đặc trưng cho điện tích dương, và các điện tử ở các nơi khác cũng có khả năng nhảy vào lỗ trống này để lắp đầy điên tử, tạo một lỗ trống ở vị trí khác. Đây là bán dẫn loại P (positive). Tương tự, khi phối trộn silicon với phosphor thì chúng ta thu được
Nguyên tử phosphor là những ô màu vàng, xung quanh phosphor cần có 5 điện tử để trung hòa điện tích, trong khi đó silicon chỉ cần có 4 điện tử để trung hòa điện tích, nên sẽ dư ra một điện tử. Điện tử đặc trưng cho điện tích âm, đây là bán dẫn loại N (negative).Như vậy bán dẫn loại N chứa điện tử, trong khi bán dẫn loại P chứa lỗ trống, và khi kết hợp hai loại bán dẫn này lại với nhau thì sẽ tạo thành một sự chênh lệch điện thế ở vị trí kết nối giữa hai bán dẫn.
Ở bề mặt tiếp xúc giữa hai bán dẫn sẽ hình thành một lớp điện kép mỏng, vùng bán dẫn P sẽ có điện tích âm, vùng bán dẫn N sẽ có điện tích dương. Sự hình thành này là do P có nhiều lỗ trống, N có nhiều điện tử tự do, các điện tử của N sẽ chạy sang P, và các lỗ trống của P sẽ chạy sang N.
Khi có ánh sáng mặt trời chiếu vào tinh thể silicon thì sẽ có sự di chuyển các lỗ trống từ N chuyển sang P, và các điện tử từ P sẽ di chuyển sang N, ngược lại so với sự di chuyển lúc đầu mới ghép N và P. Khi đó thì sẽ hình thành một sự chênh lệch về điện thế, và một dòng điện tử từ P sang N, hay nói cách khác chiều dòng điện là từ N sang P.
Do bán dẫn thì dẫn điện không tốt, có điện trở lớn, nên điện tử dư thừa rất nhiều khi di chuyển từ P sang N. Sử dụng một dây dẫn điện nối giữa tấm kim loại phủ lên bán dẫn P và vật liệu kim loại phủ lên bán dẫn N thì sẽ tạo thành một nguồn điện. Tuy nhiên nếu phủ bán dẫn N một tấm kim loại thì sẽ ngăn cản sự hấp thu ánh sáng của tinh thể silicon, hệ quả là không có sự tạo thành dòng điện nữa, nên thông thường người ta sử dụng một lưới kim loại để phủ (điện cực dạng lược) để ánh sáng có thể tới được tinh thể silicon.
Bên cạnh đó, bề mặt silicon có màu rất sáng nên sẽ phản xạ rất nhiều ánh sáng, không thể sử dụng trong pin mặt trời được. Vì vậy, người ta đã sơn lên nó một lớp sơn chống phản xạ rất mỏng, để giảm sự phản xạ xuống dưới 5% hoặc không phản xạ. Một pin mặt trời chỉ có thể sinh ra một thế và dòng điện nhỏ, nên để có thể sử dụng được nguồn điện trong sinh hoạt người ta thường kết hợp nhiều pin mặt trời song song (thường là 36) hay nối tiếp tạo thành một modul, một bảng lớn gồm nhiều pin mặt trời.
Công nghiệp sản xuất pin mặt trời tinh thể silicon
Thông thường pin mặt trời tinh thể silicon được làm từ vật liệu silicon chất lượng cao, có kích thước từ 350-450µm. Những màng silicon (silicon wafer) được cắt từ những thỏi silicon đúc.
Phương pháp trên thường tiêu tốn nhiều silicon, để tiết kiệm vật liệu người ta chế tạo pin mặt trời đa tinh thể silicon bằng cách sử dụng phương pháp kết tủa từ pha hơi, bao gồm kết tủa từ pha hơi bằng cách tạo áp suất thấp (LPVCVD) và kết tủa pha hơi bằng plasma (PECVD). Ngoài ra, kỹ thuật chế tạo màng mỏng bằng cách cho phân tử kết tủa từ pha lỏng (LPPE) và phương pháp sử dụng phún xạ cũng được sử dụng để chế tạo màng silicon đa lớp dùng trong pin mặt trời.
Trong phương pháp kết tủa pha hơi, các khí như SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4 hay SiH4 sẽ được kết tủa lên một đế nung nóng, vật liệu dùng làm đế như là Si, SiO2, Si3N4,… nhưng các nghiên cứu cho thấy phương pháp này khó tạo được lớp kết tinh trên bề mặt đế silicon vô định hình (a-si) và dễ tạo các khoảng không giữa các lớp kết tinh. Để khắc phục vấn đề này, thực hiện thêm quá trình ủ nhiệt lớp silicon vô định hình để các phân tử silicon có thể tái sắp xếp dày đặc hơn. Màng polysilicon được chế tạo không những sử dụng quá trình tái kết tinh mà còn hầu hết các kỹ thuật kết tinh silicon đơn lớp, pin mặt trời được chế tạo bằng cách này cho hiệu quả chuyển hóa từ ánh sáng thành điện năng hiệu quả hơn.
Pin mặt trời tinh thể nano
Pin mặt trời silicon là loại phức tạp nhất trong số các pin mặt trời. Do giá thành của nó cao, nên không thể ứng dụng trong quy mô lớn được. Vì vậy người ta luôn luôn phải cải tiến trong quá trình chế tạo, tìm vật liệu mới và ứng dụng các màng trong pin để nhầm mục tiêu giảm giá thành. Một trong số đó là sử dụng tinh thể nano TiO2 ứng dụng trong pin mặt trời như là hướng tiếp cận thích hợp cho vấn đề giá thành sản phẩm.
Ví dụ, Pin mặt trời tinh thể nano tẩm chất màu nhạy quang (dye-sensitized nanocrystalline solar cells, DSSC), cấu tạo gồm điện cực anod, điện cực catod và hệ điện ly. Điện cực anod gồm có lớp màng nano tinh thể TiO2hấp phụ chất nhạy quang (Dye) phủ trên mặt đế thủy tinh dẫn điện. Điện cực catod gồm lớp Pt phủ trên bề mặt đế thủy tinh dẫn.
Anod: màng TiO2; Catot: Thủy tinh tráng Pt; Chất điện giải: I3-/I-
Như trong hình, những hình cầu màu trắng là TiO2, những chấm đỏ là chất màu nhạy quang. Các phân tử chất nhuộm màu sẽ chuyển sang trạng thái kích thích khi hấp thu ánh sáng mặt trời, ở trạng thái kích thích này thì không bền, và các điện tử nhanh chóng di chuyển sang vị trí gần với vùng dẫn của TiO2, chất màu nhạy quang nhanh chóng được bù đắp điện tử bị mất từ hệ chất điện giải. Điện tử sau khi đi đến vùng dẫn của TiO2, cuối cùng là đi vào màng dẫn điện, và khi đó thông qua dây dẫn phía ngoài tạo thành dòng quang điện.
Tinh thể nano TiO2 solar cell có những thuận lợi là giá rẻ, quá trình chế tạo đơn giản và bền. Hiệu suất quang điện ổn định ở 10%, và giá thành chế tạo chỉ bằng khoảng 1/5 đến 1/10 so với pin mặt trời silicon. Tuổi thọ có thể lên đến hơn 20 năm. Tuy nhiên, Quá trình nghiên cứu và phát triển loại pin này chỉ còn đang mới bắt đầu chớm nở, nên loại pin mặt trời này được đánh giá đang trong tiến trình thương mại hóa.
Một mô hình pin mặt trời tinh thể nano
Cách làm pin mặt trời tinh thể nano tẩm chất nhạy quang
Bước 1: chế tạo màng TiO2.
Nghiền bột TiO2 với chất kết dính
Trải hỗn hợp lên miếng thủy tinh đã được tráng lớp TCO (lớp ngăn sự phản xạ và dẫn điện)
Nung trên đèn cồn và làm nguội
Bước 2. Nhuộm TiO2 với chất màu nhạy quang
Lấy nước ép của những trái cây có màu đen (black berries), mâm xôi (raspberries) , hạt lựu (pomegranate seed), hay trà đen pha loãng với một muỗng nước. Ngâm màng TiO2 trong dung dịch 5 phút để màu ngấm vào TiO2 xốp có màu đỏ đậm, nếu hai bề mặt màng có màu không đều nhau thì tiếp tục ngâm thêm 5 phút nữa. Rửa màng với Cồn và nhẹ nhàng thấm khô bằng giấy.
Bước 3. Tạo điện cực dương
Pin mặt trời cần của hai điện cực dương và âm. Điện cực dương gọi là điện cực đối, là một tấm thủy tinh được phủ lớp SnO2 có khả năng dẫn điện và truyền suốt tốt, có thể dùng đồng hồ Volt-Ohm để kiểm tra tính dẫn của bề mặt thủy tinh, hay có thể dùng móng tay cào thấy chỗ nào nhám là vùng dẫn điện. Có thể thay SnO2 bằng các lớp graphite chì bằng cách dùng bút chì tô đầy lên bề mặt kính để tạo lớp dẫn điện.
Bước 4. Thêm chất điện giải
Dung dịch iodin-hydronium được sử dụng như là một chất điện giải trong pin mặt trời để tạo thành mạch điện và như là tác nhân phục hồi chất màu nhạy quang. Nhỏ 1 đến hai giọt dung dịch điện ly lên màng TiO2 để thấm ướt.
Bước 5. Ráp để tạo thành một pin mặt trời
Bây giờ ráp điện cực dương lên trên màng TiO2 có tẩm màu, sao cho bề mặt dẫn điện của điện cực dương tiếp xúc với màng TiO2. Xê dịch hai tấm thủy tinh để hai bên dư ra hai đầu để chừa chỗ cho vị trí kẹp dây dẫn vào.
Bước 6. Kiểm tra điện cực/Đặt điện cực ra ngoài ánh sáng mặt trời, dòng đồng hồ đo dòng điện của kiểm tra điện cực của bạn. Pin mặt trời có diện tích là 4 cm vuông. Thế của pin này khoảng 0.43 V và dòng là 1 mA/cm2.
Hoahocngaynay.com
Nguồn Cyberchemvn.com (Trần Thanh Nhân)
