Pin năng lượng mặt trời là gì?

Pin năng lượng mặt trời hay còn gọi là pin quang điện là một thiết bị có khả năng chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành điện năng, dựa trên hiệu ứng quang điện. Đây là thành phần chính trong các hệ thống điện năng lượng mặt trời và được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như các vùng núi cao, ngoài đảo xa hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian như các vệ tinh, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước…

Pin mặt trời 0.15W 5V

Một tấm pin mặt trời hoạt động bằng cách cho phép các photon, hoặc các hạt ánh sáng đánh bật các electron khỏi nguyên tử, tạo ra dòng điện. Các tấm pin mặt trời bao gồm nhiều đơn vị nhỏ được gọi là các tế bào quang điện. (Quang điện có nghĩa là chúng chuyển đổi nguồn ánh sáng mặt trời thành điện năng để sử dụng) Nhiều tế bào liên kết với nhau tạo thành một tấm pin mặt trời.

Cấu tạo pin năng lượng mặt trời

Pin mặt trời là một loại thiết bị điện tử, thực hiện chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng. Ánh sáng chiếu vào tấm pin mặt trời tạo ra điện áp từ đó tạo thành năng lượng điện. Quá trình này đòi hỏi trước tiên cấu tạo pin mặt trời phải từ loại vật liệu mà trong đó sự hấp thụ ánh sáng làm tăng electron lên trạng thái năng lượng cao, sau đó là sự chuyển động của electron năng lượng cao này từ pin mặt trời ra mạch ngoài. 

Pin năng lượng mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells), được làm từ chất bán dẫn silic tinh khiết, có chứa một số lượng lớn các diode quang trên bề mặt, thực hiện chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. 

Pin năng lượng mặt trời có thể chia làm 6 bộ phận gồm: khung ngoài, kính cường lực, lớp màng EVA, solar cell, tấm nền pin, hộp kết nối.

• Solar cell: Như đã đề cập ở trên, các tế bào quang điện là thành phần chính và chức năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và biến đổi thành điện năng. Trong một cell, tinh thể silic bị kẹp giữa hai lớp dẫn điện (ribbon và các thanh busbar). Một tế bào quang điện sử dụng hai lớp silic khác nhau, loại N và loại P. Các tế bào tinh thể silic này có thể là đơn tinh thể (pin Mono) hoặc đa tinh thể (pin Poly). Các đặc tính kỹ thuật chính: kích thước, màu sắc, số lượng tế bào và hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời. Hiện nay, các tế bào đa tinh thể Poly khá phổ biến với hiệu suất chuyển đổi khoảng 17.6% . Các tế bào Cells này sẽ được kết nối với nhau bằng một dây đồng mỏng được phủ một hợp kim thiếc.
• Lớp màng EVA (ethylene vinyl acetate): còn được gọi là chất kết dính, đây là một lớp Polymer được thiết kế đặc biệt có độ trong suốt được sử dụng để bọc các solar cell vào giữa chúng và giữ chúng ở đúng vị trí trong quá trình sản xuất. Lớp này còn có tác dụng hấp thụ và bảo vệ solar cell khỏi sự rung động, tránh bám bụi và hơi ẩm. Vật liệu EVA có khả năng chịu đựng nhiệt độ khắc nghiệt và có độ bền cực kỳ cao.
• Kính cường lực: đây là phần được sử dụng để bảo bệ các solar cell khỏi thời tiết hay mưa đá. Loại kính thường được sử dụng là loại kính cường lực với cường độ cao, độ dày từ 3.0 đến 4.0mm và được thiết kế để chống lại tải trọng cơ học và thay đổi nhiệt độ khắc nghiệt. Kính cường lực cũng rất tốt cho sự an toàn vì khi vỡ nó không tạo ra các mảnh vỡ nguy hiểm như các loại kính thông thường. Thay vào đó, kính cường lực vỡ thành nhiều mảnh nhỏ và an toàn hơn. Điều này rất quan trọng nếu một tấm pin trên mái nhà bị hỏng và kính vỡ rơi xuống mặt đất bên dưới.
• Tấm nền pin: Tấm nền mặt sau của pin mặt trời được làm từ vật liệu nhựa có chức năng cách điện, bảo vệ và che chắn cho các tế bào quang điện khỏi thời tiết và độ ẩm. Tấm này được làm từ nhiều loại Polymer hoặc nhựa khác nhau như PP, PE và PVF cung cấp các mức độ bảo vệ khác nhau, ổn định nhiệt và chóng tia cực tím. 
• Khung ngoài: Đây là một trong những phần cuối được lắp ráp. Nó thường làm bằng nhôm và có chức năng đảm bảo độ bền cho tấm pin. Bảo vệ cạnh của phần chứa các tế bào, cung cấp một cấu trúc vững chắc để gắn bảng điều khiển năng lượng mặt trời vào vị trí. Các phần nhôm ép được thiết kế cực kỳ nhẹ, cứng và có thể chịu được áp lực cực lớn, tải từ gió lớn và các lực bên ngoài.
• Hộp kết nối: Hộp nối có chức năng đưa các mối nôi điện của tấm pin năng lượng mặt trời ra ngoài. Nó là một loại hộp nhựa có khả năng chống thời tiết. Hộp nối có vai trò rất quan trọng vì nó là điểm trung tâm, nơi tất cả các tế bào đặt liên kết với nhau và phải được bảo vệ khỏi độ ẩm và bụi bẩn.

Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời

Để hiểu rõ nguyên lý làm việc của pin năng lượng mặt trời ta sẽ tìm hiểu nguyên lý của một đơn vị nhỏ hơn là solar cell. Như đã đề cập ở phần cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời, một tế bào quang điện sử dụng hai lớp silic khác nhau, loại N có các electron dư thừa và loại P có các khoảng trống cho các electron dư thừa, gọi là lỗ trống. Tại nơi tiếp xúc giữa 2 loại silic, electron có thể di chuyển qua tiếp diện P/N để lại điện tích dương ở một mặt và tạo ra điện tích âm ở mặt còn lại.

Ta có thể hiểu, ánh sáng là một dòng các hạt nhỏ li ti gọi là các hạt photon (bắn ra từ mặt trời). Khi một trong các hạt này va đập vào solar cell với đủ năng lượng, nó có thể đánh bật một electron khỏi liên kết để lại một lỗ trống. Electron mang điện tích âm và lỗ trống mang điện tích dương có thể di chuyển tự do, nhưng bởi vì trường điện từ tại tiếp điểm P/N nên chúng chỉ có thể đi theo một hướng. Electron bị hút về mặt N và lỗ trống bị hút về mặt P. Các electron di động được thu thập ở các lá kim loại tại đỉnh solar cell. Từ đây chúng đi vào mạch tiêu thụ thực hiện chức năng điện trước khi quay trở về lá kim loại ở mặt sau. Electron là thứ duy nhất di chuyển trong solar cell và quay về nơi xuất phát. Chẳng có thứ gì hao mòn hay cạn kiệt nên solar cell có tuổi thọ lên tới hàng chục năm.

Điện được tạo ra từ tấm pin năng lượng mặt trời là điện một chiều (DC). Để có thể sử dụng cho các tải, thiết bị bình thường thì cần phải chuyển điện DC thành AC (điện xoay chiều).