Pin mặt trời là gì? Chúng được tạo ra như thế nào? Hoạt động ra sao?

Năng lượng mặt trời thật tuyệt vời. Trung bình, mỗi mét vuông bề mặt Trái đất nhận được 164 watt năng lượng mặt trời. Nói cách khác, bạn có thể đặt một chiếc đèn (150 watt) trên mỗi mét vuông bề mặt Trái đất và thắp sáng toàn bộ hành tinh bằng năng lượng của Mặt trời! Hay nói một cách khác, nếu chúng ta chỉ phủ một phần trăm diện tích sa mạc Sahara bằng các tấm pin mặt trời, chúng ta có thể tạo ra đủ điện để cung cấp năng lượng cho toàn thế giới. Đó là điều tốt về năng lượng mặt trời: có rất nhiều thứ - nhiều hơn những gì chúng ta có thể sử dụng.

Nhưng cũng có một nhược điểm. Năng lượng mà Mặt trời gửi đến Trái đất dưới dạng hỗn hợp của ánh sáng và nhiệt. Cả hai điều này đều cực kỳ quan trọng — ánh sáng giúp thực vật phát triển, cung cấp thức ăn cho chúng ta, trong khi nhiệt giữ cho chúng ta đủ ấm để tồn tại — nhưng chúng ta không thể sử dụng trực tiếp ánh sáng hoặc sức nóng của Mặt trời để chạy tivi hoặc ô tô. Chúng ta phải tìm ra cách nào đó để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành các dạng năng lượng khác mà chúng ta có thể sử dụng dễ dàng hơn, chẳng hạn như điện năng. Và đó chính xác là những gì pin mặt trời làm.

1. Pin mặt trời là gì?

Pin mặt trời là một thiết bị điện tử nhận ánh sáng mặt trời và chuyển hóa trực tiếp thành điện năng. Các cell pin năng lượng mặt trời liên kết với nhau được gọi là mô-đun năng lượng mặt trời, các mô-đun ghép thành các đơn vị lớn hơn được gọi là tấm pin mặt trời. Cũng giống như các cell pin, các mô-đun cũng được thiết kế để tạo ra điện, nhưng không phải bằng hóa chất mà thay vào đó các cell pin của tấm pin năng lượng mặt trời tạo ra năng lượng bằng cách thu ánh sang mặt trời. Chúng được gọi là tế bào quang điện vì chúng sử dụng ánh sáng mặt trời. Ánh sáng được tạo ra từ các hạt nhỏ gọi là photon, vì vậy ánh sáng mặt trời mang theo hàng nghìn tỷ photon. Nếu chúng ta đặt một tấm pin mặt trời vào đường đi của nó và bắt các photon năng lượng này sau đó chuyển chúng thành dòng điện thì sẽ tạo ra một lượng điện và điện áp hữu ích.

2. Pin mặt trời được tạo ra như thế nào?

Hầu như tất cả các pin mặt trời ngày nay đều được làm từ các lát silicon (là một nguyên tố hóa họa phổ biến có trong cát).

Silicon là thứ tạo ra các bóng bán dẫn trong vi mạch và các cell pin năng lượng mặt trời hoạt động theo cách tương tự.

Silicon là loại vật liệu được gọi là chất bán dẫn. Một số vật liệu như kim loại cho dòng điện chạy qua được gọi là chất dẫn điện. Các vật liệu như gỗ, nhựa,..ngằn dòng điện chạy qua được gọi là chất cách điện. Các chất bán dẫn không phải là chất dẫn điện, cũng không phải là chất cách điện mà chúng thường không dẫn điện, nhưng trong một số trường hợp nhất định, chúng ta có thể làm cho chúng hoạt động như vậy.

Pin mặt trời gồm hai lớp silicon khác nhau đã được xử lý hoặc pha tạp chất đặc biệt để chúng sẽ cho dòng điện chạy qua chúng trong trường hợp nhất định. Lớp trên có ít electon được gọi là loại P hoặc loại dương ( chứa các lỗ trống). Lớp trên có nhiều electron và được gọi là loại N hoặc loại âm ( chứa electron tự do).

3. Pin mặt trời hoạt động như thế nào?

Một pin mặt trời bao gồm một lớp silicon loại P được đặt bên cạnh một lớp silicon loại N. Ở lớp loại N chứa electron, còn ở lớp loại P thừa lỗ trống mang điện dương (là những chỗ trống do thiếu electron hoá trị). Gần chỗ tiếp giáp của hai lớp, các electron ở một bên của lớp tiếp giáp (lớp loại N) di chuyển vào các lỗ trống ở phía bên kia của lớp tiếp xúc (lớp loại P). Điều này tạo ra một vùng xung quanh đường giao nhau, được gọi là vùng suy giảm, trong đó các điện tử lấp đầy các lỗ trống.

Khi tất cả các lỗ trống được lấp đầy bởi các điện tử trong vùng suy giảm, thì mặt loại P của vùng suy giảm bây giờ chứa các ion mang điện tích âm và mặt loại N của vùng suy giảm bây giờ chứa các ion mang điện tích dương. Sự có mặt của các ion mang điện trái dấu này tạo ra điện trường bên trong ngăn cản các electron ở lớp N lấp đầy các lỗ trống ở lớp P.

Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào pin mặt trời, các điện tử trong silicon bị đẩy ra, dẫn đến hình thành các "lỗ"-(chỗ trống do các điện tử thoát ra để lại). Nếu điều này xảy ra trong điện trường, điện trường sẽ chuyển các electron đến lớp loại N và các lỗ trống đến lớp loại P. Nếu chúng ta nối một một sợi dây kim loại giữa hai lớp, các electron sẽ đi từ lớp loại N sang lớp loại P bằng cách băng qua vùng suy giảm sau đó đi qua dây bên ngoài tạo ra một dòng điện.