Pin mặt trời là gì? Tìm hiểu nguồn gốc ra đời và nguyên lý hoạt động của chúng

Mặt trời là nguồn năng lượng mà con người có thể tận dụng được: sạch sẽ, đáng tin cậy, gần như vô tận và có ở khắp mọi nơi. Việc thu giữ NLMT không thải ra khí và nước độc hại, do đó không góp phần vào vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính. Ngày hôm nay, Phúc Nguyễn Solar chia sẽ qua một ít kiến thức đúng về Pin mặt trời là gì?

Pin năng lượng mặt trời là gì

1. Pin mặt trời và lịch sử phát triển

Quang điện là một hiện tượng ánh sáng sinh điện. Khi ánh sáng rọi trên bề mặt một vật. Vật sẽ hấp thụ năng lượng nhiệt của ánh sáng cho đến tần số thời gian đạt đến mức hấp thụ cao nhất. Vật sẽ không còn hấp thụ năng lượng nhiệt của ánh sáng. Tại thời điểm này năng lượng ánh sáng sẽ tách điện tử rời khỏi bề mặt của vật trở thành điện tử tự do có khả năng làm cho vật trở thành dẫn điện.

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị chỉ có hiệu suất 1%. Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946. Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.

Năm 1887 Heinrich Hertz quan sát thấy hiệu ứng quang điện ngoài đối với các kim loại (cũng là năm ông thực hiện thí nghiệm phát và thu sóng điện từ). Sau đó Aleksandr Grigorievich Stoletov đã tiến hành nghiên cứu một cách tỷ mĩ và xây dựng nên các định luật quang điện.

Một trong các công trình của Albert Einstein xuất bản trên tạp chí Annal der Physik đã lý giải một cách thành công hiệu ứng quang điện cũng như các định luật quang điện dựa trên mô hình hạt ánh sáng, theo thuyết lượng tử vừa được công bố năm 1900 của Max planck. Các công trình này dẫn đến sự công nhận về bản chất hạt của ánh sáng và sự phát triển của lý thuyết lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng.

Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại

 2. Pin quang điện và nguyên lý hoạt động

Pin quang điện (còn gọi là pin mặt trời) là một nguồn điện chạy bằng năng lượng ánh sáng. Nó biến trực tiếp quang năng thành điện năng. Các pin quang điện thường được làm bằng Si, Se, Ge, Te, CdS, GaAs... có phải pin quang điện gồm nhiều tế bào quang điện đúng không? Vậy cấu tạo và nguyên lý hpatj động chung ra sao.Ta hãy tìm hiểu nhé!

Sơ đồ cấu tạo của pin quang điện

• Pin có một tấm bán dẫn loại n, bên trên có phủ một lớp mỏng chất bán dẫn loại p (H 3.1). Có thể tạo ra lớp này bằng cách cho khuếch tán một tạp chất thích hợp vào lớp bề mặt của lớp bán dẫn loại n. Trên cùng là một lớp kim loại rất mỏng. Dưới cùng là một đế kim loại. Các kim loại này cùng đóng vai trò các điện cực trơ.
• Electron sẽ khuếch tán từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p, để lại những lỗ trống dương. Các êlectron này vẫn có liên kết với các lỗ trống tạo thành một lớp gọi là lớp tiếp xúc p – n. Trong lớp tiếp xúc này có điện trường E_tx hướng từ dương sang âm, tức là hướng từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p. Điện trường E_tx ngăn cản sự khuếch tán của êlectron từ n sang p và lỗ trống từ p sang n. Vì vậy người ta còn gọi lớp tiếp xúc này là lớp chặn.
• Khi chiếu ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang dẫn vào lớp kim loại mỏng phía trên cùng thì ánh sáng sẽ đi xuyên qua lớp này vào lớp bán dẫn loại p, gây ra hiện tượng quang điện trong và giải phóng ra các cặp êlectron và lỗ trống. Electron khuếch tán dễ dàng từ p sang n qua lớp chặn. Còn lỗ trống thì bị chặn lại và ở lại trong lớp p. Kết quả là điện cực kim loại mỏng ở trên sẽ nhiễm điện dương và trở thành điện cực dương của pin, còn đế kim loại ở phần dưới sẽ nhiễm điện âm và trở thành điện cực âm của pin.

- Nếu nối hai điện cực bằng một dây dẫn thông qua một ampe kế thì sẽ có dòng quang điện chạy từ cực dương sang cực âm.

- Suất điện động của pin quang điện nằm trong khoảng từ 0,5V đến 0,8V.

Vậy nguyên tắc hoạt động của pin quang điện là dựa vào hiện tượng quang điện trong xảy ra bên cạnh một lớp chặn.

Pin quang điện đã được dùng làm nguồn điện cho các trạm nghiên cứu và cho sinh hoạt ở những nơi khó khăn cho việc dẫn điện lưới đến như: núi cao, hải đảo, các phương tiện lưu động, vệ tinh nhân tạo, trạm vũ trụ...

Để tránh gây ô nhiễm môi trường, người ta đã nghiên cứu thay thế các động cơ chạy xăng ở ôtô, máy bay... bằng các động cơ chạy bằng pin quang điện.

Người ta sử dụng Pin quang điện để biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng (Solar Cell). Nếu dùng pin quang điện bằng chất bán dẫn Silic, hiệu suất của nó có thể đạt đến 14-15%. Người ta tính được trên diện tích 1m² của pin quang điện được ánh sáng chiếu tới ta có thể nhận được một công suất điện là 100 W và như vậy với diện tích của một mái nhà trung bình ta có đủ điện năng để thỏa mãn mọi tiện nghi cho một gia đình. Tuy nhiên, về giá thành của các Pin quang điện hiện nay còn tương đối khá đắt so với các nguồn năng lượng khác. 

3. Lợi ích của tấm pin mặt trời mang lại

Tạo ra nguôn năng lượng xanh: Nguồn năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng tự nhiên đã rất quen thuộc. Từ tấm pin, inverter mà chúng ta đã có được năng điện để sử dụng phần nào giảm gánh nặng cho điện lưới quốc gia.

Pin năng lượng mặt trời

Tiết kiệm: Giá toàn bộ hệ thống pin năng lượng mặt trời bao gồm cả phí thi công cũng khá rẻ. Với vốn đầu tư không cao nhưng hiệu quả mang lại rất lâu dài thì tiết kiệm chính là điều mà các hộ gia đình hay các đơn vị kinh doanh sẽ có được.

Thời gian sử dụng lâu dài: Một tấm pin mặt trời có thời gian sử dụng lâu dài lên đến 25- 30 năm. Trong quá trình sử dụng có thể xảy ra một số vấn đề nhưng hầu hết đều có thể khắc phục được. Các đơn vị lắp đặt thường có cả dịch vụ sửa chữa biến tần, dịch vụ bảo trì bảo dưỡng các tấm pin...

Xem thêm:

• Sơ đồ nguyên lý pin mặt trời
• Điện năng lượng mặt trời hòa lưới 5kw

Nguồn: Sưu tầm