 Tìm hiểu công nghệ chế tạo tấm pin mặt trời đơn tinh thể và đa tinh thể (Phần 1) Tìm hiểu công nghệ chế tạo tấm pin mặt trời đơn tinh thể và đa tinh thể (Phần 1)Mục Lục Show
Khi nói đến tấm pin mặt trời theo công nghệ C-Si một công nghệ đang thống trị ngành năng lượng mặt trời trên thế giới vớ thị phần lên đến 95% so với các công nghệ khác, một trong những câu hỏi được đặt ra nhiều nhất là loại pin mặt trời nào tốt hơn: Monocrystalline hay Polycrystalline? Nếu bạn đang tìm hiểu vấn đề này thì bài viết này sẽ cung cấp cho bạn câu trả lời thỏa đáng. (Chà, nếu bạn đang tìm kiếm một câu trả lời chi tiết, thì bạn đã đến đúng nơi.) Bài viết có dùng một số dữ liệu của Hiệp hội Năng lượng Mặt trời Hoa Kỳ (ASES) Trong bài viết này, chúng tôi sẽ so sánh chuyên sâu đầy đủ giữa các tấm pin mặt trời đơn tinh thể gọi tắt là tấm pin poly và đa tinh thể gọi tắt là tấm pin mono bao gồm:
Nhưng trước tiên, hãy xem cách hoạt động của Solar PV (Solar Photovoltaics)Quang điện mặt trời (PV : viết tắt của từ Photovoltaic) là sự chuyển đổi trực tiếp thành dòng điện tại điểm nối của hai chất tiếp xúc với năng lượng mặt trời.Nó xảy ra thông qua một quá trình được gọi làHiệu ứng quang điệnkhiến các photon bị hấp thụ và phóng điện tử.Năng lượng mặt trời bao gồm các photon là những gói năng lượng điện từ nhỏ.Vật liệu thể hiện hiệu ứng quang điện này được gọi là PV hoặc pin Mặt trời. Pin mặt trời được cấu tạo từ các vật liệu bán dẫn, chẳng hạn như silicon, được sử dụng trong ngành công nghiệp vi điện tử.Đối với pin mặt trời, một tấm wafer bán dẫn mỏng được xử lý đặc biệt để tạo thành điện trường, dương ở một phía và âm ở mặt kia.Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào bề mặt của tấmpin mặt trời, các điện tử bị đánh bật khỏi các nguyên tử trong vật liệu bán dẫn.Nếu các vật dẫn điện được gắn vào các mặt âm và dương, tạo thành một mạch điện, thì các điện tử có thể bị bắt gặp dưới dạng dòng điện hay chính xác hơn nó là dòng điện một chiều (DC).Dòng điện này có thể cung cấp trực tiếp cho các tải DC hoặc biến đổi thành dòng điện xoay chiều AC để cung cấp cho đèn hoặc các thiết bị tiêu thụ điện trong nhà. Mô-đun quang điện (hay còn gọi là tấm pin mặt trời) đầu tiên được chế tạo bởi Phòng thí nghiệm Bell (Bell Laboratories ) ở Hoa Kỳ vào năm 1954. Vì vậy, không cần phải quảng cáo thêm, chúng ta hãy đi ngay vào cách các tấm pin mặt trời được tạo ra. A. Sản xuất (Manufacture)
Năm1918, nhà khoa học người Ba LanJan Czochralski đãphát hiện ramột phương pháp tuyệt vời để sản xuất silicon đơn tinh thể và gọi nó làQuy trình Czochralski(Czochralski Process),và sau đó vàonăm 1941,tế bào đầu tiên đã được chế tạo thành công. Quá trình sản xuất pin mặt trời đơn tinh thểbao gồm8 bước chínhvà trong phần này, chúng ta sẽ nhanh chóng đi qua từng bước trong số đó.
Thành phần chính tạo nên các tấm pin mặt trời đơn tinh thể là silicon còn được gọi làcát Silica (Silica sand), Quartzite, hoặcSiO2 Bước đầu tiên trong sản xuất tế bào đơn tinh thể là chiết xuất silic tinh khiết từ thạch anh để chế tạo silic luyện kim (hoặc silicon tinh khiết). Để tạo ra silicon luyện kim, các lò đặc biệt được sử dụng để nấu chảySiO2vàCarbonở nhiệt độ trên2.552độ F tương đương 75,5 độ C (1 độ C = 33,8 độ F), để lại98%đến99%silicon nguyên chất. Mặc dù silicon luyện kim có độ tinh khiết cao nhưng nó không đủ tinh khiết để được sử dụng trong các tấm PV. Do đó, việc thanh lọc hơn nữa cần phải được thực hiện.
Bước tiếp theo là tinh chế silicon luyện kim này bằngquy trình của Siemens(Siemens process). Đầu tiên, chúng ta cho bột silic luyện kim loạiSitrong bình phản ứng vớiHClở nhiệt độ cao tạo rakhíSiHCl3. Sau đó khí được làm lạnh và hóa lỏng đểchưng cất(distillation). Chưng cất là quá trình làm bay hơi sau đó ngưng tụ chất lỏng để loại bỏ các tạp chất không mong muốn. Ví dụ, bạn có thể đun sôi nước biển (nước muối), sau đó ngưng tụ hơi nước để lấy nước tinh khiết, vì muối sẽ vẫn ở dưới đáy nồi. Sử dụng khái niệm tương tự,SiHCl3hóa lỏngđược đun nóng sau đó làm lạnh để loại bỏ các tạp chất có nhiệt độ sôi cao hơn và thấp hơn nhưCanxivàNhôm. Sau khi chưng cất,SiHCl3hóa lỏngđược chuyển đến một lò phản ứng cách nhiệt khác với một thanh nóng, sau đó trộn vớikhí Hydrovà hóa hơi một lần nữa ở nhiệt độ lên đến2732độ F. Do nhiệt và sự có mặt củakhí H2, cácnguyên tử Clsẽ tan ra, để lại khoảng99,9999%silicon nguyên chất.
Điều khác biệt giữa các tế bào đơn tinh thể với các tế bào đa tinh thể là các tấm pin đơn tinh thể được làm từ một thỏi silicon tinh khiết duy nhất. Việc tạo ra một thỏi silicon nguyên chất thực sự rất khó khăn cho đến khiCzochralskiphát hiện ra cách tuyệt vời này. Đầu tiên, bạn nhúng mộttinh thể hạt (seed crystal), làmột thanh nhỏ silicon đơn tinh thể nguyên chất vào silicon nóng chảy. Sau khi nhúng que (the rod), bây giờ là lúc từ từ kéo và xoay tinh thể hạt lên trên cùng một lúc để giảm thiểu ảnh hưởng của đối lưu trong quá trình tan chảy. Khi tinh thể hạt được kéo lên, silicon lỏng sẽ từ từ đông đặc trong4 ngàytạo ra silicon đơn tinh thể hình trụ lớn đồng nhất còn được gọi làthỏi silicon (silicon ingot).. Kích thước của thỏi silicon phụ thuộc vào3 yếu tố: nhiệt độ gradient, tốc độ nguội và tốc độ quay.
Cho đến nay, bạn đã có một thỏi silicon đơn tinh thể khổng lồ, nhưng làm thế nào bạn có thể tạo ra các tấm pin mặt trời từ nó? Câu trả lời rất đơn giản, đó là cưa dây (wire saw) Bước thứ ba là cắt thỏi silicon thành những lát rất mỏng bằng cách sử dụng một chiếc cưa dây (wire saw) rất sắc để tạo racác tấm silicon1 mmhoặc0,0393 inch. Sau khi cắt tấm wafer, đã đến lúc đánh bóng và rửa tấm wafer để làm sạch nó khỏi bụi, bẩn và trầy xước.
Bởi vì bề mặt tấm wafer rất phẳng, nhiều tia sáng bị phản xạ đi, và rõ ràng, bạn không muốn điều đó, vì nó sẽ làm giảm hiệu quả của tấm pin mặt trời. Vì lý do này, các nhà sản xuất làm thô và khắc bề mặt của tấm wafer, do đó ánh sáng có thể khúc xạ nhiều lần, giúp cải thiện hiệu quả của tấm panel và ngăn cản sự phản xạ ánh sáng nhiều nhất có thể.
Các tấm wafer silicon tích điện dương.Nói cách khác, chúng hoạt động như mộtvật liệuloại p. Để dẫn điện, bạn cần một tiếpgiáp pnvà để tạo ra một tiếpgiáp pn, một lớpphốt pho mangđiện tích âmđược thêm vào mỗi phiến, sau đó các phiến được chuyển đến cáclò nungđặc biệt1652độ F để bơm phốt pho vớinitơ. Hỗn hợp nitơ và phốt pho tạo ra mộtlớpn loạimạnhdẫn đến mộttấm wafer tiếpgiáp pnrất hiệu quả, điều này tất nhiên sẽ làm tăng hiệu quả của bảng điều khiển.
Để giảm tổn thất điện năng, một hợp kim bạc dẫn điện cao được ép lên mặt trước của tấm wafer, đảm bảo năng lượng được vận chuyển hoàn hảo và cải thiện hơn nữa độ dẫn điện của tế bào đơn tinh thể.
Cuối cùng, bước cuối cùng trong việc chế tạo các tấm đơn tinh thể là lắp ráp. Mỗi tấm pin mặt trời đơn tinh thể được làm từ32 đến 96tấm tinh thể nguyên chất được ghép thành các hàng và cột. Số lượng ô (cells) trong mỗi bảng quyết định tổng sản lượng điện của tấm pin.
Polycrystalline còn được gọi là tấm pin mặt trời đa tinh thể hoặc nhiều tinh thể cũng được làm từ silicon nguyên chất. Tuy nhiên, không giống như đơn tinh thể, chúng được làm từ nhiều mảnh silicon khác nhau thay vì một thỏi nguyên chất duy nhất. Sự khác biệt giữa sản xuất pin mặt trời mono và poly là, sau khi tinh chế silicon, thay vì kéo thỏi từ từ để tạo ra tinh thể hình trụ đồng nhất (Quy trình Czochralski), silicon nóng chảy được để nguội và phân mảnh. Những mảnh vỡ này sau đó được nấu chảy trong lò và đổ vào các chén nung hình khối. Sau khi silicon nóng chảy đông đặc, các thỏi được cắt thành các tấm mỏng, sau đó được đánh bóng, cải tiến, khuếch tán và lắp ráp giống như các tấm đơn tinh thể. B. Sự xuất hiện của các tấm năng lượng mặt trời đơn tinh thể và đa tinh thể
Bởi vì thỏi silicon nguyên chất có hình tròn, nên khi cắt chúng sẽtạo ra cáctấm xốp hình vuông với các cạnh tròn, tạo ra những khoảng trống nhỏ giữa các ô (cells) sau khi được lắp ráp. Và do thực tế là chúng được làm bằng silicon nguyên chất, chúng xuất hiện vớivẻ ngoài tối đồng nhấtdo cách ánh sáng tương tác với silicon nguyên chất. Do đó, bạn có thể dễ dàng nhận ra các tế bào năng lượng mặt trời đơn tinh thể bởibề ngoài tối đồng nhất (màu đen)của chúngvà cáccạnh tròn hình vuôngvới khoảng cách nhỏ giữa mỗi tế bào. ٍĐừng lo lắng, mặc dù pin mặt trời đơn tinh thể có màu tối, nhưng có rất nhiều màu sắc và kiểu dáng cho tấm và khung mặt sau sẽ đáp ứng sở thích của bạn.
Không giống như màu tối đồng nhất mà các tế bào năng lượng mặt trời đơn tinh thể có, các tế bào đa tinh thể có xu hướng có màu xanh lam do cách ánh sáng mặt trời tương tác với đa tinh thể. Hơn nữa, vì các tấm wafer đa tinh thể không được cắt từ các hình trụ như các tấm monocrystalline, nên chúng sẽ không có các cạnh tròn. Do đó, bạn có thể dễ dàng nhận ra chúng bởimàu hơi xanhvà không có cáccạnh tròn. Các ô (cells) đa tinh thể cũng có rất nhiều tấm lưng đầy màu sắc và thiết kế khung chắc chắn sẽ phù hợp với mái nhà của bạn. C. Hiệu suất (efficiency) tấm năng lượng mặt trời đơn tinh thể so với đa tinh thểHiệu suất của bảng điều khiển năng lượng mặt trời là một chỉ số cho thấy mức độ tốt của tế bào trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Ví dụ, nếu chúng tôi mang2tấm pin mặt trời khác nhau, một tấm có hiệu suất10%và tấm kia là20%và chúng ta chiếu cùng một lượng ánh sáng trong cùng một khoảng thời gian. Cái thứ hai sẽ tạo ra gần nhưgấp đôilượng điện do cái đầu tiên tạo ra.
Trong số các loại bảng điều khiển năng lượng mặt trời khác nhau, các tế bào đơn tinh thể có hiệu suất cao nhất thường trongkhoảng 15-20%và dự kiến sẽ còn cao hơn nữa. Thực tế thú vị:Vào năm 2019, Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (National Renewable Energy Laboratory hay gọi tắt là NREL) đã phát triển một loại pin mặt trời sáu điểm nối với hiệu suất47,1%,thiết lập 2 kỷ lục thế giới mới.
Vì mỗi tế bào đa tinh thể được cấu tạo từ quá nhiều tinh thể, nên sẽ có ít chỗ cho các electron di chuyển hơn, dẫn đến hiệu suất phát điện thấp hơn. Mặc dù đơn tinh thể có tỷ lệ hiệu suất cao hơn, nhưng sự khác biệt giữa tế bào đơn tinh thể và tế bào đa tinh thể không quá lớn. Hầu hết các tế bào PV đa tinh thể có hiệu suất từ13%đến16%, đây vẫn là một tỷ lệ rất tốt và dự kiến sẽ chỉ cao hơn trong tương lai. D. Hệ số nhiệt độ Mono-Si và Poly-Si?Một yếu tố tuyệt vời khác bị bỏ qua rất nhiều làhệ số nhiệt độ. Hệ số nhiệt độ là một phép đo mức độ hoạt động của pin mặt trời khi nhiệt độ tăng lên. Nói cách khác, nó chỉ ra sự mất mát hiệu quả đối với mỗi độ tăng nhiệt độ.
Hầu hết các tế bào năng lượng mặt trời monocrystalline có một hệ số nhiệt độ khoảng-0,3% / C đến -0,5% / C. Vì vậy, khi nhiệt độ tăng1 độ Choặc32 độ F, pin mặt trời đơn tinh thể sẽ tạm thời mất từ0,3%đến0,5%hiệu suất của nó.
Các tế bào PV đa tinh thể có hệ số nhiệt độ cao hơn các tế bào đơn tinh thể. Điều này có nghĩa là các tấm pin đa tinh thể sẽ mất nhiều hiệu suất hơn khi nhiệt độ tăng lên khiến chúng không tối ưu để sử dụng ở các khu vực nóng. Nguồn: ases.org Xem tiếp: Tìm hiểu công nghệ tấm pin mặt trời đơn tinh thể và đa tinh thể (Phần 2)Bình luận Hủy
Bài Viết Liên QuanBơm năng lượng mặt trời: cái gì (what), tại sao (why) và bằng cách nào (how)?Bơm năng lượng mặt trời: cái gì (what), tại sao (why) và bằng cách nào (how)? Tiếp cận nguồn cung cấp nước bền vững, an toàn đang là mối quan tâm ngày càng tăng ở mọi khu vực trên thế giới trong đó có Việt Nam.Ở nhiều cộng đồng, nhất là ở các khu vực [] Hệ thống quản lý pin lưu trữ Battery Management System (BMS)Hệ thống quản lý pin lưu trữ Battery Management System (BMS) Giám đốc điều hành của Mercedes Dieter Zetsche nói rằng, Sự thông minh của pin lưu trữ không nằm ở cell pin mà trong hệ thống phức tạp của pin. Điều này gợi nhớ đến những chiếc máy tính vào những năm [] Hệ thống quản lý [Pin Lithium] là gì?Hệ thống quản lý [Pin Lithium] là gì? Pin Lithium-ion có rất nhiều ưu điểm so với dòng ắc quy axit chì. Chúng nhẹ hơn, hiệu suất cao hơn, sạc nhanh hơn, và có vòng đời dài hơn. Tuy nhiên, chúng rất nhạy cảm với điều kiện vận hành và có thể gây hư hỏng [] Xe điện 101: Xe điện hoạt động như thế nào?Xe điện 101: Xe điện hoạt động như thế nào? Xe ô tô điện (Electric Vehicle : EV) là bất kỳ phương tiện nào chạy bằng pin được sạc bằng nguồn điện bên ngoài.Ô tô điện đã tồn tại lâu như ô tô chạy bằng xăng, nhưng thường đắt hơn ô tô chạy bằng xăng [] Một số khái niệm về pin Lithium bạn cần biếtMột số khái niệm về pin Lithium bạn cần biết Lithium Sắt Phosphate Hay gọi tắt làLiFePO4. Những loại pin này là một phần củacông nghệ pin năng lượng mặt trời mới nhất.Chúng cómức độ độc hại thấp, hiệu suất được xác định rõ và ổn định lâu dài. Đây là một vài tính năng [] Lưu trữ năng lượng 101Lưu trữ năng lượng 101 Nói một cách đơn giản nhất, hệ thống lưu trữ năng lượng hoạt động bằng cách lấy bất kỳ dạng năng lượng nào được sản xuất ở thời điểm hiện tại và giữ lại để sử dụng sau này.Nó không giống như một tài khoản tiết kiệm, nơi bất kỳ [] Kiến thức cơ bản về năng lượng mặt trời từ cơ quan năng lượng quốc tế IEAKiến thức cơ bản về năng lượng mặt trời từ cơ quan năng lượng quốc tế IEA Năng lượng từ mặt trời Mặt trời đã tạo ra năng lượng trong hàng tỷ năm và là nguồn cuối cùng cho tất cả các nguồn năng lượng và nhiên liệu mà chúng ta sử dụng ngày nay.Con [] Làm thế nào để chọn đúng pin lithium-ion?Làm thế nào để chọn đúng pin lithium-ion? (Tiết thứ 2) Có nhiều loại pin Lithium khác nhau Retro : Làm thế quái nào tôi có thể chọn đúng loại pin? Smile : Tôi sẽ giải thích 6 điểm then chốt sẽ giúp bạn lựa chọn pin Lithium Ion. Làm cách nào để chọn [] |
