Tế bào quang điện là ứng dụng giúp biến đổi nguồn năng lượng khổng lồ của mặt trời (khoảng 3.850.000 EJ/năm) thành điện năng. Đây được xem là một phần không thể thiếu trong hệ thống năng lượng mặt trời. Vậy, bạn đã biết gì về loại tế bào công nghệ này? Cùng VTECH tìm hiểu trong bài viết dưới đây nhé!
Tế bào quang điện là gì?
Tế bào quang điện (tiếng Anh: Solar Cell) hay còn được gọi là cell pin mặt trời. Thiết bị điện này được làm từ chất liệu silicon tinh thể, với những đường dẫn kim loại trên bề mặt. Khi các electron sinh ra bởi hiệu ứng quang điện sẽ được đường dẫn này thu thập và biến đổi quang năng thành điện năng.
>> Xem thêm: Cảm biến là gì? Các loại cảm biến thông dụng hiện nay
Lịch sử của tế bào quang điện
Năm 1839, nhà vật lý người Pháp Edmond Becquerel đã phát hiện hiệu ứng quang điện. Tuy nhiên, phải mất 21 năm sau đó, tế bào quang điện mới được ứng dụng vào thực tế trong công nghệ vệ tinh. Cuối năm 1980, những tấm pin năng lượng mặt trời được tạo thành từ những tế bào này bắt đầu được sử dụng rộng rãi tại nhiều nơi. Trong thế kỷ 21, ứng dụng của quang điện có sự tăng trưởng mạnh do nhu cầu xây dựng các trang trại năng lượng mặt trời trên toàn thế giới.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của solar cell
Tế bào quang điện được cấu tạo từ chất liệu bán dẫn nên có khả năng hấp thụ tốt các hạt photon trong bức xạ mặt trời. Năm 1920, Albert Einstein gọi chúng là các hạt ánh sáng, với tốc độ lên đến 300.000 km/giây. Do đó, khi các hạt photon va chạm vào bề mặt chất bán dẫn sẽ sinh ra các dòng electron. Các dòng electron được giải phóng di chuyển tự do và tìm lỗ trống của nguyên tử để lấp đầy.
Tuy nhiên, để có thể tạo ra dòng điện, các hạt electron này phải di chuyển theo một hướng. Để làm được điều này, các nhà khoa học đã sử dụng hai loại silicon. Trong đó, bề mặt tiếp xúc với mặt trời sẽ được pha với nguyên tử photpho – nguyên tử có nhiều điện tử hơn silicon. Bề mặt còn lại sẽ được pha với nguyên tử bo – nguyên tử có ít hơn một điện tử so với silicon.
Nhờ cấu tạo được pha trộn với các chất khác nên solar cell có thể xem như là một pin năng lượng. Với vị trí có điện tử nhiều trở thành cực âm (-), lớp bị thiếu trở thành cực dương (+). Ngoài ra, phần tiếp giáp giữa hai lớp tạo thành một điện trường.
Khi các electron được giải phóng, chúng bắt đầu di chuyển về điện cực âm. Trong khi đó, các lỗ trống (điện tích dương) sẽ trôi về điện cực dương. Cả electron và điện tích dương đều tiến về tiếp điểm ở 2 cực để chảy ra mạch ngoài và tạo thành dòng điện một chiều. Ngoài ra, một lớp phủ có khả năng chống phản xạ được thêm vào trên cùng của tế bào quang điện để giảm thiểu sự thất thoát do phản xạ bề mặt.
Ứng dụng tế bào quang điện
Nhờ sự phát triển của công nghệ, solar cell ngày càng được sử dụng phổ biến trong đời sống như sau:
- Ứng dụng chiếu sáng, cảm biến ánh sáng.
- Thay pin cho các thiết bị điện như: máy tính, đồng hồ,…
- Sản xuất điện mặt trời và cung cấp năng lượng cho các nhà máy điện.
- Lắp đặt trên các phương tiện hoạt động bằng điện mặt trời.
Tế bào quang điện được tạo ra như thế nào?
Nhà công nghệ sản xuất phát triển mà việc tạo ra solar cell không còn khó như trước đây. Thông thường, tế bào quang điện sẽ được sản xuất thông qua quy trình 7 bước.
Bước 1: Làm sạch silicon
Silicon được sản xuất thông qua cách hồ quang carbon để giải phóng oxy trong các phân tử silicon dioxide. Phản ứng này được thực hiện trong lò hồ quang điện. Mặc dù silicon thành phẩm có chứa rất ít tạp chất, nhưng vẫn chưa đủ điều kiện để tạo ra tế bào quang điện. Các silicon này cần phải trải qua quá trình nóng chảy di động để loại bỏ hoàn toàn tạp chất và thu về silicon nguyên chất.
Bước 2: Chế tạo silicon đơn tinh thể
Tế bào quang điện được tạo thành từ những thỏi silicon – silicon đa tinh thể. Tuy nhiên, silicon thu được từ bước 1 lại là silicon đơn tinh thể. Bạn cần phải tiến hành giai đoạn Czochralski để biến đổi silicon đơn tinh thể thành đa tinh thể.
Bước 3: Làm tấm silicon
Silicon đa tinh thể được cắt thành bó bằng cưa tròn kim cương. Sau đó, các bó này được sử dụng để tạo các tấm silicon tròn. Để hoàn thiện những tấm này, bạn cần thực hiện đánh bóng nhằm loại bỏ vết cưa.
Bước 4: Pha tạp
Dựa trên nội dung nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện ở trên, chúng ta biết rằng các tấm silicon này cần được pha trộn với photpho và bo. Phương pháp pha tạp được sử dụng phổ biến nhất là bắn các ion vào photpho vào tấm silicon. Tuy nhiên, phương pháp này vẫn chưa được chấp nhận hoàn toàn.
Bước 5: Đặt các tiếp điểm điện
Tiếp điểm này được sử dụng để kết nối các solar cell với nhau. Do đó, phần tiếp xúc cần phải đảm bảo độ dày tối thiểu để ánh sáng có thể chiếu vào các tế bào này. Đồng tráng thiếc thường được đặt giữa các ô solar cell để đảm bảo hiệu suất.
Bước 6: Lớp phủ chống phản quang
Do silicon nguyên chất thường có một độ bóng tự nhiên nên sẽ phản xạ lại khoảng 35% ánh sáng mặt trời chiếu vào. Các nhà khoa học đã khắc phục tình trạng này bằng cách một lớp titanium dioxide và silicon dioxide để khắc phục hao hụt do hiện tượng phản quang.
Bước 7: Đóng gói tế bào
Các solar cell đã hoàn thanh sản xuất thông qua kiểm tra chất lượng sẽ được đóng gói. Điều này có thể hiểu là chúng được bảo quản trong cao su silicon hoặc ethylene vinyl acetate. Sau đó, các tấm tế bào quang điện được lắp đặt vào một khung nhôm bền chắc, với tầm nền thủy tinh hoặc nhựa trong suốt.
Phân loại tế bào quang điện
Hiện nay, có hai loại solar cell được sử dụng phổ biến trên thị trường đó là: tấm quan điện mono và poly.
Tế bào quang điện mono
Tấm pin mono được làm từ chất liệu silicon đơn tinh thể, độ tinh khiết cao nên có giá thành cao hơn các loại tế bào quang điện khác. Solar cell này thường có hình bát giác, với nhiều tế bào mono đơn mang đến hiệu suất tuổi thọ cao. Điểm mạnh của tấm này là khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện nguồn cấp sáng yếu.
Tế bào quang điện poly
Đây là loại solar cell được sử dụng phổ biến hiện nay nhờ cấu tạo từ silicon đa tinh thể. Do đó, tấm poly có khả năng chịu được nhiệt độ cao, quy trình sản xuất đơn giản và giá thành rẻ hơn. Tuy nhiên, hiệu của của tế bào quang điện này không thể so sánh với tấm mono.
Những thắc mắc về tế bào quang điện
Để hiểu thêm về cell pin mặt trời, chúng ta hãy cùng nhau giải đáp 3 câu hỏi dưới đây nhé!
Cảm biến quang điện là gì?
Cảm biến quang điện là một thiết bị cảm biến có khả năng phát ra chùm tia sáng dưới dạng tần số. Khi chùm tia sáng này chiếu vào vật thể sẽ gây ra các ảnh hưởng lên bộ thu sáng. Lúc này, hiện tượng phát xạ điện tử xảy ra ở cực catot giúp biến đổi ánh sáng thành tín hiệu điện.
Tế bào quang điện được đo lường như thế nào?
Hiện nay, ngành công nghiệp quang điện thường sử dụng máy đo quang học để đo lường tế bào quang điện. Nguyên nhân chủ yếu do các loại máy này có giá thành rẻ, nhưng độ chính xác khá cao. Ngoài ra, ánh sáng bề mặt đèn LED có thể điều chỉnh đa chiều giúp dữ liệu thu được chất lượng hơn, hạn chế sai sót.
>>> Xem thêm: Ứng dụng trong đo lường tế bào quang điện | Máy đo OMM chính xác cao Micro-Vu
Kim loại được dùng làm tế bào quang điện
Ngoài chất bán dẫn và các điện cực, tế bào quang điện còn được cấu tạo thành từ một số chất liệu khác chất liệu khác. Nhôm là chất liệu dễ dàng nhận thấy nhất vì được dùng để làm phần khung. Điều này chủ yếu do độ bền cao, thời gian sử dụng lâu dài. Ngoài ra, xesi cũng là kim loại dùng làm tế bào quang điện không thể thiếu.
Trên đây là tất cả những thông tin cần biết về tế bào quang điện – một thành phần không thể thiếu của hệ thống điện mặt trời. Solar cell có thể được sản xuất dễ dàng trong nhà máy và được kiểm soát chất lượng bằng máy đo hình ảnh tự động Micro-Vu. Nếu bạn có nhu cầu tìm hiểu về loại máy này, vui lòng liên hệ với VTECH để được tư vấn.
