Tế bào quang điện là gì? Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng

Tế bào quang điện là thành phần trực tiếp tạo ra điện trong các hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời. Hiểu cách tế bào được cấu tạo và hoạt động giúp người dùng phân biệt rõ vai trò của nó với tấm pin, pin lưu trữ và các bộ phận khác trong hệ thống. Bài viết dưới đây tập trung vào những kiến thức cần thiết và các ứng dụng thường gặp của tế bào quang điện.

Tế bào quang điện (photovoltaic cell hoặc solar cell) là linh kiện bán dẫn có khả năng chuyển đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng thành điện năng. Silicon là vật liệu được sử dụng phổ biến để chế tạo loại tế bào này. Một tế bào riêng lẻ tạo ra lượng điện tương đối nhỏ nên nhiều tế bào thường được liên kết với nhau để tạo ra công suất phù hợp với nhu cầu sử dụng.

Tế bào quang điện chỉ đảm nhiệm quá trình tạo điện, không có chức năng lưu trữ điện. Vì vậy, trong các hệ thống cần sử dụng điện vào thời điểm không có ánh sáng, nguồn điện tạo ra phải được kết hợp với bộ phận lưu trữ phù hợp.

Tế bào quang điện được cấu tạo từ nhiều lớp và thành phần có chức năng khác nhau. Trong đó, vật liệu bán dẫn đảm nhiệm quá trình chuyển đổi năng lượng, còn các lớp trên bề mặt và hệ thống tiếp điểm hỗ trợ tiếp nhận ánh sáng, thu và dẫn dòng điện ra bên ngoài.

Lớp bán dẫn là phần trực tiếp tham gia vào quá trình tạo điện. Silicon được xử lý để hình thành các vùng có đặc tính điện khác nhau, từ đó tạo ra điện trường bên trong tế bào và hỗ trợ sự dịch chuyển của các điện tích khi có ánh sáng chiếu vào.

Đặc tính của vật liệu bán dẫn ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chuyển đổi năng lượng của tế bào. Vì vậy, công nghệ xử lý silicon là một trong những yếu tố tạo nên sự khác nhau giữa các loại tế bào quang điện hiện nay.

Khi ánh sáng chiếu vào bề mặt tế bào, một phần có thể bị phản xạ trở lại môi trường. Lớp chống phản xạ có nhiệm vụ hạn chế lượng ánh sáng bị mất theo cách này, giúp nhiều ánh sáng hơn đi vào vùng bán dẫn để tham gia quá trình tạo điện.

Lớp phủ này nằm trên bề mặt nên cũng ảnh hưởng đến đặc điểm quan sát bên ngoài của tế bào. Vật liệu và công nghệ phủ có thể khác nhau tùy theo phương pháp sản xuất.

Hệ thống tiếp điểm kim loại có nhiệm vụ thu dòng điện được tạo ra trong tế bào và dẫn ra mạch điện bên ngoài. Các tiếp điểm cần được bố trí sao cho vừa đảm bảo khả năng dẫn điện, vừa hạn chế che khuất phần bề mặt tiếp nhận ánh sáng.

Khi nhiều tế bào được kết nối với nhau, các đường dẫn điện còn giúp tập hợp dòng điện từ từng tế bào. Nhờ đó, các tế bào riêng lẻ có thể hoạt động như một phần của mô-đun có công suất lớn hơn.

Khi ánh sáng chiếu vào, vật liệu bán dẫn hấp thụ một phần năng lượng và làm xuất hiện các hạt mang điện có khả năng dịch chuyển. Điện trường bên trong tế bào giúp phân tách các điện tích này. Khi tế bào được nối với mạch ngoài, sự dịch chuyển của điện tích tạo thành dòng điện một chiều.

Một tế bào chỉ tạo ra điện áp và công suất giới hạn nên nhiều tế bào được liên kết để hình thành mô-đun và pin năng lượng mặt trời. Quá trình tạo điện có thể hình dung theo chuỗi ánh sáng → tế bào quang điện → dòng điện một chiều → tấm pin → hệ thống sử dụng hoặc lưu trữ điện.

Tùy vào vật liệu và phương pháp sản xuất, tế bào quang điện được chia thành nhiều loại khác nhau. Ba nhóm thường gặp là đơn tinh thể, đa tinh thể và màng mỏng, mỗi loại có đặc điểm riêng khi được sử dụng để tạo thành các tấm pin.

Tế bào đơn tinh thể (Monocrystalline) được chế tạo từ silicon có cấu trúc tinh thể đồng nhất. Loại này thường có bề mặt màu tối tương đối đồng đều và được sử dụng phổ biến trên nhiều tấm pin năng lượng mặt trời hiện nay.

Khả năng tạo công suất tốt trên một diện tích giới hạn giúp tế bào đơn tinh thể phù hợp với những hệ thống cần tận dụng diện tích lắp đặt. Tuy nhiên, hiệu quả thực tế vẫn cần xem xét dựa trên thông số của tấm pin hoàn chỉnh và điều kiện sử dụng.

Tế bào đa tinh thể (Polycrystalline) cũng sử dụng silicon nhưng được hình thành từ nhiều tinh thể khác nhau. Bề mặt thường có sắc xanh và không đồng nhất như tế bào đơn tinh thể, nhờ đó có thể nhận biết tương đối dễ bằng mắt thường.

Loại tế bào này đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống điện mặt trời. Khi lựa chọn, người dùng nên quan tâm đến công suất, hiệu suất và diện tích của cả tấm pin thay vì chỉ dựa vào công nghệ tế bào.

Tế bào màng mỏng (Thin-film) được tạo bằng cách phủ các lớp vật liệu quang điện mỏng lên một bề mặt nền. Cấu trúc này khác với dạng wafer silicon thường gặp ở tế bào đơn tinh thể và đa tinh thể.

Tùy công nghệ và vật liệu, tế bào màng mỏng có thể được sử dụng trong những ứng dụng cần yêu cầu riêng về trọng lượng, hình dạng hoặc khả năng tích hợp trên bề mặt. Vì vậy, phạm vi sử dụng của loại tế bào này khá khác so với các tấm pin silicon thông thường.

Khả năng chuyển đổi ánh sáng thành điện giúp tế bào quang điện được sử dụng trong nhiều hệ thống từ điện mặt trời đến các thiết bị hoạt động độc lập. Trong thực tế, nhiều tế bào thường được liên kết thành tấm pin để tạo điện áp và công suất phù hợp, sau đó nguồn điện được đưa tới thiết bị sử dụng trực tiếp hoặc hệ thống lưu trữ.

 

Trong lĩnh vực chiếu sáng, đèn đường năng lượng mặt trời là một ứng dụng cho thấy rõ vai trò của tế bào quang điện. Ban ngày, các tế bào trên tấm pin tiếp nhận ánh sáng và tạo ra điện. Nguồn điện sau đó đi qua bộ điều khiển để nạp vào pin lưu trữ, đến khi trời tối sẽ được sử dụng để cấp điện cho đèn LED.

Quá trình sử dụng năng lượng của hệ thống diễn ra theo chuỗi ánh sáng mặt trời → tấm pin → bộ điều khiển → pin lưu trữ → đèn LED. Tế bào quang điện nằm trong tấm pin và đảm nhiệm khâu tạo điện, trong khi pin lưu trữ giữ nguồn điện để hệ thống có thể tiếp tục hoạt động khi không còn ánh sáng mặt trời.

Tế bào quang điện là linh kiện bán dẫn có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng. Từ nhiều tế bào riêng lẻ có thể hình thành tấm pin để tạo nguồn điện cho hệ thống điện mặt trời, thiết bị độc lập và các giải pháp chiếu sáng solar. Hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tế bào cũng giúp phân biệt được vai trò của tấm pin với bộ phận lưu trữ điện trong một hệ thống hoàn chỉnh.