Quy trình sản xuất và cấu tạo của tấm pin năng lượng mặt trời

Tấm pin là một trong những thành phần chính quan trọng, giúp chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành nguồn điện cung cấp cho hệ thống điện, các thiết bị sử dụng công nghệ mặt trời.

Bài viết sau đây sẽ chia sẻ những thông tin chi tiết về quy trình sản xuất, các thành phần cấu tạo tấm pin mặt trời, để cho bạn có thể biết rõ hơn về thành phần quan trọng này.

Nguyên liệu làm Solar Cell

Nguyên liệu chính là silicon tinh khiết thế nhưng trong trạng thái tự nhiên thì thường rất thô, chúng có nguồn gốc từ silicon đioxit chẳng hạn như đá thạch anh (silica tinh khiết nhất) hay thạch anh nghiền.

Các quy trình tạo ra các tế bào quang điện

Quá trình làm sạch silicon

Để tạo ra tế bào quang điện, đầu tiên sẽ đặt các nguyên liệu thô trên vào lò nung quang điện hình cung, là nơi cacbon hình cung được sử dụng để giải phóng oxy.

Sản phẩm của quá trình này là carbon dioxide và silicon nóng chảy. Silicon lúc này có tạp chất 1%, chưa có tinh khiết để tạo tế bào quang điện, cần phải trải qua quá trình làm sạch thêm.

99% silicon tinh khiết còn lại được tinh chế hơn nữa bằng cách sử dụng kỹ thuật floating zone. Thanh silicon không tinh khiết sẽ truyền qua khu vực được gia nhiệt nhiều lần trong cùng một hướng.

Mỗi lần thông qua, khu vực này sẽ kéo các tạp chất hướng tới một đầu. Vào thời điểm này, silicon đã được làm sạch, hoàn toàn tinh khiết, còn đầu chứa tạp chất được loại bỏ.

Làm silicon đơn tinh thể

Các pin quang điện được làm từ các thỏi silicon hình trụ, có cấu trúc nguyên tử đơn tinh thể, được làm từ quy trình Czochralski.

Trong quy trình này, một hạt đơn tinh thể silicon được nhúng vào silicon đa tinh thể nóng chảy. Khi hạt tinh thể rút lại và xoay vòng, một phôi hình trụ hay boule của silicon được hình thành. Phôi thu được chưa chắc tinh khiết, bởi vì tạp chất có lẽ vẫn còn trong chất lỏng.

Làm tấm bán dẫn silic

Từ phôi hình trụ, người ta sử dụng cưa tròn có đường kính bên trong, cắt bên trong thỏi hình trụ thành từng tấm bán dẫn silic hay có thể cắt nhiều lát cùng một lúc bằng cưa đa dây (chiếc cưa hình kim cương tạo ra các vết cắt rộng và dày 5 milimet.

Chỉ khoảng một nửa silicon bị mất từ phôi hình trụ đến lát hình tròn đã hoàn thành hay nhiều hơn nếu sau đó tấm bán dẫn silic được cắt thành hình chữ nhật hay hình lục giác.

Các tấm bán dẫn hình chữ nhật hay hình lục giác đôi khi được sử dụng để tạo ra cell quang điện vì chúng có thể được gắn với nhau một cách hoàn hảo, nhờ đó tận dụng tất cả không gian có sẵn trên bề mặt phía trước của pin

Sau đó, các tấm bán dẫn được đánh bóng để loại bỏ các dấu cưa. Thời điểm gần đây, người ta nhận ra các tế bào thô ráp hấp thụ ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn, do đó có vài nhà sản xuất đã bỏ qua quá trình đánh bóng tấm bán dẫn.

Quá trình pha tạp (doping)

Các Silicon tinh khiết được pha tạp với phốt pho và boron để tạo ra lượng electron dư thừa và sự thiếu hụt electron tương ứng sẽ tạo chất bán dẫn có khả năng dẫn điện.

Sau quá trình Czochralski, các tấm bán dẫn được hàn kín lại và đặt trong lò nung để gia nhiệt nhẹ nhàng dưới điểm nóng chảy của silic (2.570 độ F hay 1.410 độ C) với sự hiện diện của khí photpho.

Các nguyên tử photpho đào bên trong silicon xốp hơn vì nó gần như trở thành chất lỏng. Nhiệt độ và thời gian cho quá trình này được kiểm soát cẩn thận để đảm bảo đường nối đồng nhất và có độ sâu thích hợp.

Thời gian gần đây, người ta pha tạp silicon với photpho bằng cách sử dụng máy gia tốc hạt nhỏ để bắn các ion phốt pho vào thỏi. Bằng việc kiểm soát tốc độ của các ion, có thể kiểm soát được độ sâu thâm nhập của chúng. Tuy nhiên quy trình mới này không được nhà sản xuất thương mại chấp nhận.

Đặt các tiếp điểm điện

Các tiếp điểm điện kết nối từng tế bào năng lượng mặt trời với nhau và đến đầu thu của dòng điện hiện tại. Các tiếp điểm phải rất mỏng (ít nhất là ở phía trước) để không chặn ánh sáng mặt trời vào tế bào.

Các kim loại như paladi / bạc, niken hay đồng được hút chân không thông qua quá trình quang khắc (photoresist), in lụa hay chỉ lắng đọng trên phần tiếp xúc của các tế bào đã được phủ một phần bằng sáp.

Cả ba phương pháp đều liên quan đến một hệ thống với bên trong gồm một phần của tế bào có tiếp điểm không đòi hỏi được bảo vệ, trong khi phần còn lại tiếp xúc với kim loại.

Sau khi đặt các tiếp điểm, các miếng mỏng được đặt giữa các tế bào. Miếng mỏng sử dụng phổ biến được làm từ đồng bọc thiếc.

Phủ lớp chống phản quang

Bởi vì silicon tinh khiết rất sáng bóng, có thể phản xạ tới 35% ánh sáng mặt trời. Để làm giảm lượng ánh sáng mặt trời bị mất, trên các tấm bán dẫn silicon được phủ lớp chống phản chiếu.

Lớp phủ thường được sử dụng nhất làm bằng titan dioxit và silicon oxit. Chất liệu được sử dụng cho lớp phủ hoặc là nóng lên cho đến khi các phân tử của nó bay hơi, di chuyển đến silicon và ngưng tụ, hoặc là trải qua quá trình phún xạ (sputtering).

Trong quá trình phún xạ, điện áp cao đập các phân tử ra khỏi chất liệu và để chúng vào silicon ở điện cực. Một phương pháp khác cho phép silicon phản ứng với các khí có chứa oxy hay nitơ để hình thành silicon dioxit hay silicon nitride.

Đóng gói tế bào thành tấm pin

Các tế bào quang điện đã hoàn thành thường được đóng gói lại tạo thành các module và được đặt vào khung kim loại bằng nhôm có tấm ốp mặt sau tạo nên sự chắc chắn cho pin cùng tấm kính bằng nhựa siêu nhẹ, có độ bền cao.

Bên trong khung kim loại là vật liệu bảo vệ gồm cao su chứa silicon trong suốt hay nhựa butyryl (thường được sử dụng trong kính chắn gió ô tô) liên kết xung quanh các tế bào, sau đó nhúng trong etylen vinyl axetat.

Chất silicon được sử dụng tựa như xi măng để ghép tất cả các thành phần bên trên lại với nhau.

Tấm Năng Lượng Mặt Trời Được Tạo Ra Như Thế Nào? – Danh Sách các vật liệu cấu tạo

Bạn đã bao giờ tự hỏi những vật liệu nào được sử dụng để tạo ra một tấm pin mặt trời? Tất nhiên, rất nhiều công nghệ tiên tiến và một số kỹ thuật thông minh sẽ làm cho tất cả trở nên khả thi.

Cùng chúng tôi tìm hiểu thêm và đi sâu vào một số chi tiết thực tế về những gì cấu tạo nên các tấm pin của chúng ta.

Tóm Tắt Nhanh Về Cách Hoạt Động Của Các Tấm

Mặt trời phóng ra một lượng lớn năng lượng dưới dạng các photon. Đây là những sóng/hạt chuyển động nhanh mang năng lượng đến trái đất dưới dạng nhiệt, ánh sáng và bức xạ. Solar cell chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện bằng cách sử dụng một thứ gọi là hiệu ứng quang điện

Mỗi tấm pin được tạo thành từ nhiều tế bào quang điện và mỗi tấm này là một bộ chuyển đổi điện mặt trời riêng lẻ. Bên trong mỗi tế bào quang điện là hai đĩa silicon tích điện khác nhau được kẹp với nhau theo cách tạo thành điện trường.

Khi các photon từ mặt trời va vào các lát silicon này, một phản ứng phá vỡ các hạt nhỏ gọi là electron. Các electron mang điện tích và đây là những gì tạo ra dòng điện mà chúng ta thu và chuyển đổi để sử dụng trong gia đình.

Thành phần cấu tạo của tấm pin năng lượng mặt trời:

Sau khi biết quy trình hoạt động như thế nào, cần xem xét về những gì cần để tạo ra một tấm pin năng lượng mặt trời đẻ chúng hoạt động. Để bắt đầu, chúng ta cần một tế bào quang điện dựa trên silicon.

Sau đó, tất nhiên, chúng ta cần một cái gì đó để chứa và bảo vệ các cell. Và vì chúng ta có một số tế bào này trong mỗi tấm pin, chúng ta sẽ cần một chất nền và khung để kết nối mọi thứ.

Cuối cùng, chúng ta cần làm điều gì đó với tất cả điện năng chúng ta tạo ra vì vậy phải có hệ thống cáp để kết nối tất cả các tế bào và vận chuyển điện để chúng ta có thể sử dụng nó.

Bây giờ chúng ta hãy liệt kê và kiểm tra từng bộ phận thành phần của pin mặt trời của bạn và xem xét các vật liệu được sử dụng để cấu tạo nó.

Solar cell:

Silicon mà chúng tôi sử dụng trong các tấm pin mặt trời ở dạng tinh thể silicon (c-Si). Silicon là nguyên tố đáp ứng nhu cầu của solar cell vì nó là chất bán dẫn. Nói cách khác, nó là một vật liệu dẫn điện.

Bản chất dẫn điện/không dẫn điện này của silicon và các chất bán dẫn khác có nghĩa là chúng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các thiết bị điện tử như bóng bán dẫn, điốt và mạch điện.

Silicon là một trong những nguyên tố phong phú nhất trên trái đất. Chúng ta có được nó bằng cách khai thác đá có chứa các hợp chất silic và sau đó trải qua một quá trình phức tạp để phá vỡ nguyên liệu thô này thành silic tinh thể tinh khiết.

Sau khi tách, silicon được xử lý và cắt thành các lát siêu mỏng. Nhưng nó vẫn chưa sẵn sàng để đi vào cell pin của chúng ta cho đến khi trải qua quá trình pha tạp chất.

Doping là một quá trình phức tạp áp dụng một điện tích vào mỗi mặt của tấm silicon để mặt trên mang điện tích dương và mặt dưới là điện tích âm. Chính trường điện được tạo ra bởi các điện tích này sẽ thúc đẩy quá trình quang điện và tạo ra điện từ các tấm pin mặt trời của chúng ta.

Lớp Phủ Chống Phản xạ

Sự phản xạ là kẻ thù của các tấm pin vì bất kỳ ánh sáng nào bị phản xạ khỏi tấm pin đều không thể được hấp thụ và chuyển đổi thành năng lượng. Đó là lý do tại sao các tấm pin có bề ngoài mờ hơn là bóng.

Để hoàn thiện tế bào quang điện, một lớp mỏng của lớp phủ chống phản xạ được phủ lên. Lớp phủ này làm giảm sự phản xạ và mang lại cho các tế bào silicon màu hơi xanh dễ nhận biết.

Silicon nitride là lớp phủ chống phản xạ được sử dụng phổ biến nhất trong các tấm pin

Vật liệu đóng gói solar cell

Một solar cell đã hoàn thành phải được niêm phong để bảo vệ. Các hợp chất thường được sử dụng để bọc là cao su silicon hoặc ethylene-vinyl axetat. Cao su silicon là một chất đàn hồi hoặc vật liệu giống như cao su. Nó được tạo ra bằng cách kết hợp silicon với carbon, oxy và hydro.

Cao su silicon được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Chất trám silicon bạn sử dụng xung quanh nhà cũng giống như vậy. Hợp chất này hoàn hảo để bao bọc các tấm pin vì nó không phản ứng và chịu được nhiệt độ rất cao. Nó cũng trong suốt, điều cần thiết để cho phép các tế bào nhận được ánh sáng mặt trời tối đa.

Ethylene-vinyl acetate hoặc PEVA là một loại polymer tổng hợp có các đặc tính tương tự như cao su silicon và là vật liệu thay thế tốt được sử dụng để làm kín các cell pin

Lắp Các Tế Bào quang điện Lại Với Nhau

Bây giờ tới bước lắp ráp tất cả các thành phần của cell, cần tập hợp chúng lại với nhau thành tấm pin bằng cách sử dụng vật liệu đủ bền để cho phép nó hoạt động với tuổi thọ dự kiến ​​khoảng 25 năm.

Tầm nền

Tiếp theo, các tế bào kín được tập hợp lại với nhau trên một tấm mặt sau. Cấu trúc hỗ trợ này thường được làm bằng Mylar hoặc Tedlar.

Tedlar là một tên gọi khác của polyme polyvinyl florua, và mylar là viết tắt của vật liệu polyester polyethylene terephthalate định hướng hai trục.

Đây đều là những vật liệu được sản xuất tổng hợp với các đặc tính độc đáo khiến chúng trở nên hoàn hảo để cung cấp độ bền của pin năng lượng mặt trời. Chúng có khả năng chống chọi với thời tiết và bền vững cũng như nhiệt độ khắc nghiệt.

Khung:

Tấm pin mặt trời có khung kim loại. Do pin không thể thực sự ở vị trí dễ tiếp xúc hơn, nên điều quan trọng là phải sử dụng vật liệu không ăn mòn và chắc chắn cho khung. Kim loại có giá tốt nhưng điều cần thiết là phải sử dụng kim loại không bị ăn mòn dưới mưa và không có khả năng bị làm hại bởi bụi và các vật liệu lạ khác.

Điều quan trọng là khung các tấm pin không quá nặng vì trọng lượng là một yếu tố cho thấy chúng cần đủ nhẹ cho mái nhà của bạn.

Kim loại phù hợp nhất với tất cả các tiêu chí này là nhôm.

Bề Mặt Của tấm pin

Nếu bạn đã từng nhìn thấy một tấm pin bị nứt hoặc vỡ, bạn sẽ nhận thức rõ rằng một tấm kính sẽ che mặt trước của tấm

Một loại kính cường lực đặc biệt, được gọi là kính cường lực, được sử dụng để làm pin. Kính cường lực là vật liệu hoàn hảo cho công việc này vì nó cứng hơn gấp 4-5 lần so với kính thông thường, cung cấp cho bảng một lớp bảo vệ chắc chắn và bền bỉ.

Kính cường lực cũng rất tốt cho sự an toàn vì khi vỡ nó không tạo ra các mảnh vỡ lởm chởm 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.

Kính cường lực được sản xuất theo quy trình công nghiệp, trong đó kính thường được gia nhiệt nhanh chóng và làm nguội nhiều lần, giúp tăng độ bền của kính.

Dây cáp điện

Các tấm pin sẽ không có ích gì nếu chúng ta không có cách thu thập và chuyển điện mà chúng tạo ra. Vì vậy, tất cả các tấm pin đều cần dây cáp để thực hiện công việc này.

Nhôm và đồng là vật liệu được sử dụng để làm cáp cho các tấm pin mặt trời. Nhôm rẻ hơn trong hai kim loại. Nó không mạnh bằng đồng và cũng không dẫn điện, vì vậy các tấm pi tốt hơn sử dụng hệ thống cáp đồng.

Như tất cả các loại cáp khác, cáp kim loại cần được bảo vệ bởi một lớp nhựa bên ngoài. Vì các tấm được đặt ở vị trí ngoài trời và nhận được nhiều mưa và nhiệt độ cao, nên lớp phủ nhựa của chúng được làm từ nhựa nhiệt dẻo siêu bền và chịu nhiệt (THWN). Các nhà sản xuất tấm pin phải đáp ứng các nguyên tắc nghiêm ngặt về loại cách nhiệt mà họ sử dụng cho hệ thống cáp điện

Tóm Tắt List Các Vật Liệu Trong tấm Năng Lượng Mặt Trời:

Vì vậy, sau tất cả những chi tiết đó, chúng ta có thể viết ra danh sách vật liệu tấm pin mặt trời.

• Solar cell – Tinh thể silicon (c-si), Silicon Nitride
• Chất bịt kín – Cao su silicon hoặc Ethylene-Vinyl axetat
• Tấm nền – Mylar Hoặc Tedlar
• Khung – nhôm
• Bìa – Kính
• Cáp – Nhôm hoặc đồng, nhựa nhiệt dẻo chịu ẩm và nhiệt

Lưu ý rằng đây là danh sách các thành phần cấu tạo nên các tấm pin. Một số tấm thương mại hoạt động theo một cách hơi khác và được sản xuất từ ​​các vật liệu khác.

Điều quan trọng cần lưu ý là công nghệ năng lượng mặt trời luôn phát triển. Trong tương lai gần, chúng ta có thể không cần phụ thuộc quá nhiều vào silicon cho các tấm pin vì các chất bán dẫn khác cho thấy nhiều hứa hẹn