Tế bào quang điện là gì, nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Tế bào quang điện là các cell pin có hình ô vuông hoặc hình chữ nhật trong mỗi tấm pin mặt trời. Chúng có chức năng biến đổi ánh sáng thành điện năng. Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn hiểu rõ tế bào quang điện là gì, vai trò, chức năng, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của nó. Mời bạn đọc cùng theo dõi.

Tế bào quang điện là gì?

Tế bào quang điện (hay cell pin mặt trời) là thiết bị được làm từ vật liệu silicon tinh thể, khi có ánh sáng chiếu vào chúng sẽ tạo ra dòng điện. Trên bề mặt tế bào quang điện sẽ có các đường dẫn bằng kim loại để thu thập các electron sinh ra bởi hiệu ứng quang điện. Các electron này sẽ di chuyển theo 1 hướng để tạo thành dòng điện 1 chiều và truyền ra dây dẫn bên ngoài. 

Thông thường, mỗi tấm pin mặt trời sẽ chứa từ 60-70 tế bào quang điện, tuy nhiên với công nghệ hiện đại ngày nay, các cell pin có thể chứa lên đến 120 – 140. Với số lượng cell pin càng nhiều thì hiệu suất chuyển đổi điện năng của tấm pin cũng càng cao. 

Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện

Chức năng của các tế bào quang điện là hấp thụ quang năng để chuyển đổi thành điện năng. Để thực hiện tính năng này, chúng được thiết kế như sau:

Mỗi tế bào quang điện sẽ gồm có 2 cực, một cực dương và một cực âm. Khi các hạt năng lượng photon từ ánh sáng mặt trời hấp thụ vào tế bào sẽ giải phóng các electron. Các electron sẽ được dẫn xuống đáy tế bào và đi qua các đường dẫn kim loại, tạo ra dòng điện.

Ứng dụng của tế bào quang điện

Bản chất của tế bào quang điện là phát hiện ánh sáng và chuyển đổi thành điện năng. Với cơ chế này, tế bào quang điện được ứng dụng như sau:

Sản xuất điện

Đây là ứng dụng phổ biến nhất của tế bào quang điện. Các tế bào quang điện được thiết kế để tạo thành các tấm pin mặt trời. Khi có ánh sáng, các tấm pin sẽ hấp thụ photon và chuyển đổi thành điện năng cung cấp cho các thiết bị điện hoặc lưu trữ trong pin để sử dụng sau này.

Tạo ra các thiết bị dò ánh sáng

Tế bào quang điện có khả năng cảm biến ánh sáng, đặc biệt là cảm biến hồng ngoại. Giúp phát triển ánh sáng hoặc bức xạ điện từ khác gần phạm vi nhìn thấy được có thể đo cường độ ánh sáng. Do đó, chúng có thể được dùng làm thiết bị dò ánh sáng trong các thiết bị như thiết bị báo khói, cửa tự động mở, thiết bị báo động có kẻ đột nhập… 

Tuy nhiên, do ứng dụng điện mặt trời là ứng dụng phổ biến nhất. Vì vậy trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về các tế bào quang điện sử dụng trong hệ thống điện mặt trời.

Phân loại tế bào quang điện

Trên thị trường hiện nay phổ biến có 2 tế bào quang điện là Mono và Poly. Dưới đây là bảng so sánh giữa 2 loại tế bào Mono và Poly này:

Xem thêm: So sánh pin mono và pin poly trong điện mặt trời

Tế bào quang điện được tạo ra như thế nào?

Quy trình chế tạo tế bào quang điện bao gồm 7 bước sau đây:

Bước 1: Làm sạch silicon

Các silicon dioxide được cho vào lò hồ quang điện, sau đó đặt hồ quang carbon vào để giải phóng lượng oxy. Sản phẩm thu được là carbon dioxide và silicon nóng chảy. Nhờ quá trình này mà silicon được làm sạch và chứa 1 phần nhỏ tạp chất. Tuy nhiên silicon này vẫn chưa đủ điều kiện để tạo ra pin quang điện.

Silicon cần được nóng chảy di động để kéo hết các tạp chất về 1 phía nhất định. Cuối cùng sẽ tạo ra được silicon nguyên chất và bỏ đi phần tạp chất. 

Bước 2: Chế tạo silicon đơn tinh thể

Tế bào điện mặt trời được làm từ những thỏi silicon. Sản phẩm này là silicon đa tinh thể vì thế muốn chuyển hóa thành silicon đơn tinh thể thì cần phải trải qua giai đoạn Czochralski. 

Bước 3: Làm tấm silicon

Tấm silicon cấu tạo từ bó silicon được cắt lát riêng lẻ bằng cưa tròn kim cương. Quy trình cắt silicon này sẽ tạo ra hao hụt cho đến lúc có được 1 tấm silicon tròn. Tiếp theo, các tấm silicon được đánh bóng để loại bỏ những vết cưa sần sùi. 

Bước 4: Pha tạp

Gần đây hình thức pha tạp được sử dụng nhiều nhất bằng photpho là sử dụng máy gia tốc hạt nhỏ để bắn các ion photpho vào thỏi silicon. Bằng cách kiểm soát tốc độ của các ion, điều này có nghĩa là ta có thể kiểm soát được độ sâu thâm nhập. Tuy nhiên, quá trình này vẫn chưa được chấp nhận hoàn toàn.

Bước 5: Đặt các tiếp điểm điện

Các tiếp điểm điện được sử dụng để kết nối từng tế bào quang điện với nhau. Phần tiếp xúc cần phải cực kỳ mỏng để chúng không cản trở ánh sáng mặt trời chiếu vào tế bào. Các kim loại như đồng hay palladium được thăng hoa chân không qua chất quang dẫn hoặc lắng đọng trên phần tế bào tiếp xúc đã được phủ một lớp bằng sáp. Sau khi các tiếp điểm được đặt đúng vị trí, các ván mỏng thường là đồng tráng thiếc sẽ được đặt giữa các ô tế bào. 

Bước 6: Lớp phủ chống phản quang

Silicon nguyên chất sẽ có độ bóng tự nhiên nên sẽ phản xạ ánh sáng lên đến 35% khi mặt trời chiếu vào. Chúng ta sẽ phủ 1 lớp titanium dioxide và silicon dioxide để khắc phục và giảm lượng ánh sáng hao hụt do phản quang này. Vật liệu được sử dụng cho lớp phủ được nung nóng cho đến khi các phần tử của nó sôi lên và di chuyển đến silicon để ngưng tụ. Trong quá trình này, điện áp cao sẽ đánh bật các phần tử ra khỏi vật liệu và sau đó gửi chung vào silicon ở điện cực đối diện.

Bước 7: Đóng gói tế bào

Các tế bào solar đã hoàn thành sẽ được đóng gói. Điều này có nghĩa là chúng được nghiêm phong vào cao su silicon hoặc ethylene vinyl acetate. Các tế bào được đóng gói sau đó được đặt vào một khung nhôm có tấm nền bằng vỏ thủy tinh hoặc nhựa.

Hy vọng bài viết trên đã giúp bạn đọc hiểu về tế bào quang điện là gì, vai trò, chức năng, nguyên lý hoạt động và cách tạo ra chúng. Nếu còn bất kỳ thắc mắc gì có thể liên hệ SUNEMIT để được hỗ trợ giải đáp ngay bạn nhé.

Nguyễn Hoàng minh

Tôi là Nguyễn Hoàng Minh, là người đam mê về các loại năng lượng tái tạo sạch. Hiện tại tôi đang là marketing specialist tại SUNEMIT – Công ty hàng đầu tại Việt Nam về cung cấp các giải pháp thiết kế lắp đặt điện mặt trời. Với mong muốn giới thiệu đến các bạn đọc giả thêm nhiều thông tin hữu ích, tôi đã soạn thảo những nội dung có kiến thức chuyên môn sâu liên quan đến lĩnh vực điện mặt trời. Hi vọng sẽ đem lại những trải nghiệm mới lạ và hữu ích cho các bạn đọc giả.