Pin năng lượng mặt trời là gì

Mặt trời cung cấp một nguồn năng lượng dồi dào không cạn kiệt và không sản sinh ra khí thải carbon dioxide. Do đó, việc phát triển ngành công nghệ năng lượng mặt trời đang được rất nhiều nhà khoa học quan tâm.
Pin năng lượng mặt trời là gì? Hoạt động như thế nào?
Pin năng lượng mặt trời (pin mặt trời/pin quang điện) là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của vật chất.
Tấm pin năng lượng mặt trời, những tấm có bề mặt lớn thu thập ánh nắng mặt trời và biến nó thành điện năng, được làm bằng nhiều tế bào quang điện có nhiệm vụ thực hiện quá trình tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời.
Nguyên lý về sơ đồ hoạt động pin năng lượng mặt trời
* Vật liệu và hiệu suất
– Đã có rất nhiều thử nghiệm của các nhà vật lý học trên thế giới về nhiều vật liệu khác nhau để làm pin mặt trời và chúng được dựa trên hai tiêu chuẩn là hiệu suất  sử dụng và giá cả.
– Hiệu suất được hiểu là tỉ số của năng lượng điện từ của nặng lượng ánh sáng mặt trời. Thông thường, vào một ngày trời nắn gắt vào buổi trưa, con số ước tính mà ánh sáng mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m²; trong đó 10% hiệu suất của 1module 1m² cung cấp được năng lượng điện hoạt động được khoảng 100W. Hiệu suất của pin mặt trời này bị ảnh hưởng bởi các vật liệu làm từ silic không thù hình, sự thay đổi được thể hiện cụ thể là hiệu suất pin có thể thay đổi từ 6% lên đến 30% hay cao hơn nữa, sử dụng pin có nhiều mối nối nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.
Có nhiều cách để nói đến giá cả của hệ thống tạo điện, là tính toán cụ thể trên từng kilo Watt giờ (kWh). Hiệu suất của pin mặt trời kết hợp với sự bức xạ là 1 yếu tố quyết định trong giá thành. Nói chung hiệu suất của toàn hệ thống là tầm quan trọng của nó. Để tạo nên ứng dụng thực sự của pin tích hợp năng lượng, điện năng tạo nên nối với mạng lưới điện sử dụng inverter; trong các phương tiện di chuyển, hệ thống ắc quy sử dụng để lưu trữ nguồn năng lượng không sử dụng hiện tại. Các pin năng lượng thương mại và hệ thống công nghệ có hiệu suất từ 5% đến 15%. Giá của điện từ 50 Eurocent/kWh (Trung Âu) xuống tới 25 eurocent/kWh trong vùng có ánh mặt trời nhiều.
Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
* Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
* 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. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
* 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, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.

Sơ đồ hoạt động của pin năng lượng mặt trời trong hộ gia đình

* Dưới đây là nguyên lý hoạt động về sự chuyển đổi ánh sáng mặt trời:
– Nếu có một hạt photon chạm được vào mảnh silic, chắc chắc một trong 2 trường hợp sau sẽ xảy ra:
+ Trường hợp 1: năng lượng của photon được hấp thụ hoàn toàn bởi silic. Hiện tượng này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn.
+ Trường hợp 2: hạt photon xuyên trực tiếp qua mảnh silic. Hiện tượng này thường xảy ra  khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn.
–  Khi hạt photon được hấp thụ, năng lượng của nó sẽ được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể. Thông thường các electron này nẳm ở các e lớp ngoài cùng và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích, nó bị thay đổi tính chất và trở thành một hạt có thể dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn hay còn gọi là các e tự do . Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là “lỗ trống”. Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào “lỗ trống” và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có “lỗ trống”. Cứ tiếp tục như vậy “lỗ trống” di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.
Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được.
Xem thêm cách lắp đặt và sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời