Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời luôn là chủ đề được nhiều người quan tâm và tìm hiểu. Đơn giản là bởi đây là bộ phận đầu tiên, quan trọng nhất tại hệ thống điện năng lượng mặt trời. Vậy nên, trong bài viết sau, VR Energy sẽ cùng với các bạn đi vào tìm hiểu chủ đề này để các bạn quan tâm có thể nắm rõ nhé!

Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời

Cấu tạo của tấm pin năng lượng mặt trời bao gồm vật liệu cấu thành pin và cấu trúc các lớp bên trong pin năng lượng mặt trời. Cụ thể:

Đối với vật liệu cấu thành pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời gồm có nhiều tế bào quang điện, là phần tử bán dẫn với thành phần chính là silic tinh khiết. Tế bào quang điện thường được bảo vệ bởi tấm kính trong suốt tại mặt trước cùng vật liệu nhựa phía sau. Toàn bộ được đóng gói chân không qua lớp nhựa polymer trong suốt.

Cường độ dòng điện và điện trở của pin mặt trời thay đổi hay không sẽ phụ thuộc vào ánh sáng chiếu lên chúng. Các tế bào quang điện sẽ được ghép thành khối để tạo thành pin mặt trời. Tính đến thời điểm hiện tại, vật liệu pin năng lượng mặt trời chia làm 3 loại chính:

Dài silic được tạo ra từ miếng phim mỏng.
Đa tinh thể được tạo ra từ thỏi đức silic nung chảy.
Một đơn tinh thể module được sản xuất qua quá trình Czochralski.

Đối với cấu trúc bên trong pin năng lượng mặt trời

Cấu trúc bên trong của pin Solar panel bao gồm: Lớp tế bào quang điện bên trong. lớp kính trước, tấm nền, vật liệu đóng gói, khung tấm và hộp đựng mối nối mạch điện. Cụ thể:

Lớp tế bào quang điện bên trong

Tế bào quang điện chính là thành phần chủ yếu và có chức năng hấp thụ ánh nắng mặt trời, đồng thời biến đổi thành điện năng. Những tế bào tinh thể silic có thể là đơn hoặc đa tinh thể, phụ thuộc vào quy trình sản xuất mỗi hãng pin năng lượng mặt trời.

Kính trước pin năng lượng mặt trời

Phần kính mặt trước của tấm pin năng lượng mặt trời là phần nặng nhất. Chúng có chức năng bảo vệ, đảm bảo độ bền bỉ cao cho hệ thống tấm pin mặt trời. Độ dày lớp kính trước dao động 3.3mm.

Tấm nền pin năng lượng mặt trời

Tấm nền pin mặt trời được làm từ vật liệu nhựa có khả năng cách điện, bảo vệ, che chắn tế bào PV tốt khỏi độ ẩm lẫn thời tiết. Tấm nền pin mặt trời này thường có màu trắng và ở dạng tấm hoặc cuộn. Các loại pin mặt trời sẽ có các hãng khác nhau về màu sắc, độ dày,…

Vật liệu đóng gói hoàn thiện tấm pin năng lượng mặt trời

Chất liệu đóng gói cũng là vật liệu quan trọng giúp kết dính các lớp khác nhau có trong pin mặt trời. Vật liệu phổ biến nhất chính là EVA – Ethylene vinyl acetate. Đây chính là polymer đục mờ, chúng được đóng gói theo cuộn và cắt theo tấm. Nằm ở vị trí trước, sau tế bào quang điện. Đến khi chịu quá trình nhiệt nấu chân không, loại polymer này sẽ đặc lại và biến thành keo trong suốt, kết dính lấy tế bào quang điện.

Khung tấm pin năng lượng mặt trời

Đây là phần cuối cùng được đơn vị thi công lắp ráp. Chúng được làm bằng chất liệu nhôm và có công dụng đảm bảo độ bền bỉ cho pin mặt trời. Một vài trường hợp đặc biệt, sẽ có sẵn tấm pin mặt trời không khung hoặc giải pháp nhựa đặc biệt. Các giải pháp này thường liên quan đến dung dịch hỗ trợ được dán ở phía sau bằng công nghệ kính thủy tinh.

Hộp đựng mối nối mạch điện

Bộ phận này có chức năng dẫn các mối điện mô đun pin năng lượng mặt trời ra bên ngoài. Chúng chứa dây cáp nhằm kết nối tấm pin nằm trong cùng hệ thống. Khi thực hiện chọn hộp nối, bạn nên chú ý đến khâu chất lượng nhựa và độ tốt khớp nối.

Nguyên lý hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời chính là thiết bị bán dẫn chứa số lượng các diod p-n lớn. Dưới ánh sáng mặt trời, chúng có khả năng sản sinh ra dòng điện sử dụng được. Quá trình chuyển đổi này thường được gọi là hiệu ứng.

Lịch sử hiệu ứng về quang điện

Hiệu ứng quang điện đã được phát hiện vào năm 1839 bởi ông Alexandre Edmond Becquerel (nhà vật lý Pháp). Đến năm 1883 thì một tấm pin năng lượng mặt trời mới được ông Charles Fritts tạo thành.

Theo đó, ông sẽ phủ lên mạch bán dẫn selen lớp mỏng vàng nhằm tạo nên mạch nối. Thiết bị này chỉ đạt hiệu suất 1% và đến năm 1946, ông Russel Ohl đã tạo ra pin năng lượng mặt trời. Còn ông Sven Ason Berglund đưa ra phương pháp liên quan đến tăng khả năng cảm nhận ánh sáng pin.

Về nguyên lý hoạt động pin năng lượng mặt trời

Khi một hệ thống photon được chạm vào mảnh silic sẽ xảy ra 1 trong 2 điều cơ bản sau:

Photon sẽ truyền trực xuyên đến mảng silic: Thường xảy ra đối với trường hợp năng lượng photon thấp hơn so với năng lượng đủ dưa các hạt electron đạt mức năng lượng cao hơn.
Năng lượng photon sẽ được hấp thụ bởi silic: Thường xảy ra đối với trường hợp năng lượng photon lớn hơn so với năng lượng đưa electron đạt mức năng lượng cao hơn.

Khi hệ thống photon được hấp thụ, năng lượng sẽ được truyền tải đến hạt electron nằm trong màng tinh thể. Thường electron nằm ở lớp bên ngoài cùng và được kết dính cùng các nguyên tử lân cận. Đến thời điểm các electron được kích thích và trở thành dẫn điện, chúng có thể di chuyển tại bán dẫn. Lúc này, nguyên tử sẽ bị thiếu một electron, người ta sẽ gọi là lỗ trống.

Lỗ trống này sẽ có công dụng tạo điều kiện cho electron nguyên tử bên cạnh di chuyển đến lỗ trống và tạo ra lỗ trống cho nguyên tử xung quanh có lỗ trống. Tiếp tục chu trình này, lỗ trống sẽ được di chuyển đến mạch bán dẫn. Trung bình một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng lượng đủ nhằm kích thước lớp electron bên ngoài cùng dẫn điện. Thế nhưng, tần số mặt trời thường dao động 6000°K. Vậy nên, phần lớn năng lượng mặt trời sẽ được hấp thụ từ silic.