A pin mặt trời là một thiết bị chuyển đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện. Sự chuyển đổi này đạt được bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện trong vật liệu bán dẫn, thường là silicon. Pin mặt trời là thành phần chính của công nghệ năng lượng tái tạo và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng mặt trời.
Bài viết sau đây sẽ cung cấp cho bạn cái nhìn tổng quan về lịch sử của pin mặt trời phát triển và sẽ làm nổi bật các hồ sơ hiệu quả quan trọng cho đến nay.
Mục lục
Sự phát triển của pin mặt trời
phân loại
Hiệu quả pin mặt trời
Kỷ lục thế giới về pin mặt trời qua các năm
Sự khác biệt giữa hiệu quả phòng thí nghiệm và hiệu quả thương mại
Các xu hướng chính trong công nghệ pin mặt trời
Kết thúc
Sự phát triển của pin mặt trời
Lịch sử của pin mặt trời có nguồn gốc từ cuối những năm 1800, khi các nhà khoa học phát hiện ra rằng một số vật liệu PV có thể tạo ra dòng điện khi tiếp xúc với ánh sáng. Nhưng mãi đến năm 1954, Bell Labs mới phát triển thành công pin mặt trời silicon thực tế đầu tiên. Vào những năm 1960, pin mặt trời bắt đầu được sử dụng để cung cấp năng lượng trong tàu vũ trụ, thúc đẩy sự phát triển hơn nữa của công nghệ này.
Thương mại hóa và phổ biến bắt đầu vào những năm 1970, với sự xuất hiện của cuộc khủng hoảng năng lượng, pin mặt trời nhận được nhiều sự chú ý hơn như một nguồn năng lượng tái tạo. Những tiến bộ trong công nghệ và chi phí sản xuất thấp hơn cho phép pin mặt trời bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thương mại và dân dụng.
phân loại
Silicon đơn tinh thể pin mặt trời: chúng được làm từ một tinh thể silicon đơn và hiệu quả hơn nhưng tương đối tốn kém. Chúng thường có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao và tuổi thọ dài.
Silic đa tinh thể pin mặt trời: được làm từ nhiều tinh thể silicon nhỏ, chúng kém hiệu quả hơn một chút so với silicon đơn tinh thể, nhưng giá thành lại rẻ hơn.
Phim ngắn pin mặt trời: Silic vô định hình hoặc các vật liệu khác (ví dụ, CdTe, CIGS) được phủ thành các lớp rất mỏng trên một chất nền. Các ô này rẻ hơn, nhưng thường kém hiệu quả hơn các ô silic tinh thể.
Mới pin mặt trời: Bao gồm các tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ, tế bào năng lượng mặt trời chalcogenide, v.v., có thể cung cấp chi phí sản xuất thấp hơn và khả năng ứng dụng mới. Đặc biệt, các tế bào chalcogenide có thể dẫn đến những đột phá mới.
Hiệu quả pin mặt trời
Pin mặt trời Hiệu suất là một chỉ số quan trọng về mức độ hiệu quả của một tế bào quang điện chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện. Cụ thể, đó là tỷ lệ giữa công suất điện do một tế bào quang điện tạo ra so với công suất mà nó nhận được từ bức xạ mặt trời. Nói cách khác, nó mô tả lượng năng lượng mặt trời mà tế bào quang điện hấp thụ được chuyển đổi hiệu quả thành năng lượng điện.
Tầm quan trọng của hiệu suất pin mặt trời
Sản lượng điện: Hiệu suất càng cao thì một tế bào quang điện có cùng kích thước có thể sản xuất được nhiều điện hơn trong cùng điều kiện ánh sáng.
Hiệu quả chi phí: Hiệu suất tăng làm giảm chi phí đơn vị điện mặt trời, giúp điện mặt trời có tính cạnh tranh kinh tế hơn.
Sử dụng không gian: Pin mặt trời hiệu suất cao có thể sản xuất nhiều điện hơn trong không gian hạn chế, điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng có không gian hạn chế như hệ thống năng lượng mặt trời trên mái nhà hoặc các cơ sở lắp đặt nhỏ.
Quy trình cải tiến hiệu quả
Sự phát triển của pin mặt trời có thể được chia thành ba giai đoạn, mỗi giai đoạn có những đột phá công nghệ riêng:
Giai đoạn I: Pin mặt trời silicon tinh thể
Giai đoạn đầu tiên của pin mặt trời chủ yếu dựa trên vật liệu silicon đơn tinh thể và đa tinh thể. Các tế bào quang điện silicon thương mại ban đầu có hiệu suất khoảng 6%, nhưng với những cải tiến về công nghệ, các tế bào silicon đơn tinh thể hiện đại đã có thể đạt hiệu suất hơn 22% trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Quá trình đạt được: Hiệu suất tăng chủ yếu là do những tiến bộ công nghệ về độ tinh khiết của silicon, tối ưu hóa cấu trúc mạng, giảm độ phản xạ, cải thiện thiết kế điện cực và giảm tổn thất năng lượng bên trong pin.
Giai đoạn II: Pin mặt trời màng mỏng
Kia là pin mặt trời bao gồm đồng indium gallium selenide (CIGS), cadmium tellurium (CdTe) và pin mặt trời silic vô định hình. Hiệu suất khởi động của các pin màng mỏng này thấp, thường vào khoảng 10%, nhưng với sự phát triển của vật liệu và công nghệ quy trình, hiệu suất phòng thí nghiệm của pin CIGS và CdTe đã vượt quá 23%.
Điều này chủ yếu đạt được bằng cách cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu màng mỏng, cải thiện hiệu quả vận chuyển chất mang và tối ưu hóa cấu trúc tế bào.
Giai đoạn III: Pin mặt trời canxi titanite
Canxi titanit pin mặt trời là loại pin mặt trời phát triển nhanh nhất trong những năm gần đây. Kể từ báo cáo đầu tiên vào năm 2009, hiệu suất của nó đã tăng nhanh chóng từ 3.8% ban đầu lên hơn 33.9% hiện nay.
Sự gia tăng hiệu quả nhanh chóng là nhờ vào những ưu điểm độc đáo của vật liệu chalcogenide, chẳng hạn như hệ số hấp thụ ánh sáng cao, khoảng cách dải có thể điều chỉnh và quy trình chế tạo đơn giản.
Kỷ lục thế giới về pin mặt trời qua các năm
Giai đoạn phát triển ban đầu (2009~2012)
2009, hiệu suất chuyển đổi năng lượng 3.5%: Nhà khoa học người Nhật Miyasaka đã sử dụng vật liệu chalcogenide cho pin mặt trời nhạy sáng như một vật liệu hấp thụ ánh sáng, nhưng vật liệu này không ổn định và hỏng sau vài phút.
2011, hiệu suất chuyển đổi năng lượng 6.5%: Nam-Gyu Park, Đại học Sungkyunkwan, Hàn Quốc, đã cải tiến công nghệ pin mặt trời chalcogenide, tăng đáng kể hiệu suất chuyển đổi quang điện, nhưng vật liệu này vẫn không ổn định do vẫn sử dụng chất điện phân lỏng và hiệu suất bị cắt giảm 80% sau vài phút.
2012, hiệu suất chuyển đổi năng lượng 10%: Nhóm nghiên cứu của Henry Snaith thuộc Đại học Oxford đã giới thiệu vật liệu vận chuyển Spiro-OMeTA, hiện thực hóa trạng thái rắn của pin chalcogenide, cải thiện hiệu suất chuyển đổi hơn nữa và hiệu suất quang điện không bị suy giảm rõ rệt sau 500 giờ, chứng tỏ hiệu suất ổn định tuyệt vời.
Giai đoạn phát triển ban đầu (2012~2015)
trong 2012Henry Snaith thuộc Đại học Oxford đã thay thế TiO2 trong pin bằng nhôm (A1203) và kể từ đó canxit không chỉ là lớp hấp thụ ánh sáng trong pin mà còn đóng vai trò là vật liệu bán dẫn để truyền điện tích.
trong 2013, chalcogenide được chọn là một trong 10 đột phá khoa học hàng đầu trong tạp chí Khoa học năm 2013.
Năm 2015, hiệu suất chuyển đổi năng lượng đạt 15%: Trung Quốc, Nhật Bản và Thụy Sĩ đã hợp tác sản xuất pin mặt trời chalcogenide diện tích lớn (diện tích hoạt động lớn hơn 1 CM2), được các cơ quan có thẩm quyền quốc tế chứng nhận.
Giai đoạn phát triển nhanh (2016-nay)
2016, hiệu suất chuyển đổi năng lượng 19.6%: Nhóm của Giáo sư Gratzel tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ở Lausanne đã tăng hiệu suất được chứng nhận lên 19.6%.
2018, hiệu suất chuyển đổi năng lượng 23.7%: Viện Nghiên cứu Bán dẫn thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã đề xuất thụ động hóa các khuyết tật bề mặt chalcogenide bằng muối hữu cơ, lần lượt tăng hiệu suất chuyển đổi lên 23.3% và 23.7%.
2021, hiệu suất chuyển đổi năng lượng 29.8%: Trung tâm Helmholtz Berlin (HZB) đã phát triển hiệu suất chuyển đổi pin tandem chalcogenide là 29.8%, vượt quá giới hạn hiệu suất của mối nối không đồng nhất (HJT), TOPCon và công nghệ silicon tinh thể khác.
Năm 2022, hiệu suất chuyển đổi năng lượng đạt 31.3%: Viện Bách khoa Liên bang Lausanne (EPFL) và Trung tâm Điện tử và Công nghệ vi mô Thụy Sĩ (CSEM) đã tạo ra các tế bào quang điện xếp chồng chalcogenide-silicon với hiệu suất chuyển đổi là 31.3%.
2023, hiệu suất chuyển đổi năng lượng 33.9%: Hiệu suất của pin xếp chồng silicon-canxi tinh thể do Công ty Công nghệ Năng lượng Xanh LONGi của Trung Quốc phát triển độc lập đạt 33.9%, vượt qua giới hạn hiệu suất lý thuyết của Shockley-Quayther (SQ) là 33.7% đối với pin đơn nối.
Sự khác biệt giữa hiệu quả phòng thí nghiệm và hiệu quả thương mại
Hiệu quả phòng thí nghiệm và hiệu quả thương mại hóa là hai số liệu khác nhau để đánh giá hiệu suất của pin mặt trời và có một số khác biệt chính giữa chúng:
Hiệu quả phòng thí nghiệm
Định nghĩa:
Hiệu suất phòng thí nghiệm là hiệu suất tối đa của một pin mặt trời được đo trong điều kiện phòng thí nghiệm lý tưởng. Điều này thường liên quan đến các điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (STC) như cường độ ánh sáng cụ thể (1000 W/m²), phân bố quang phổ cụ thể và nhiệt độ cố định (thường là 25°C).
Đặc điểm:
Hiệu quả trong phòng thí nghiệm thường được đo trong điều kiện thử nghiệm tối ưu nhằm tối đa hóa hiệu suất của tế bào.
Hiệu quả như vậy thường được đo cho từng cell riêng lẻ hoặc mẫu cell nhỏ, chứ không phải cho toàn bộ tấm pin mặt trời hoặc hệ thống.
Hiệu suất phòng thí nghiệm phản ánh giới hạn trên của tiềm năng kỹ thuật của pin mặt trời.
Hiệu quả thương mại hóa
Định nghĩa:
Hiệu quả thương mại hóa là hiệu quả trung bình của pin mặt trời hoặc các tấm pin mặt trời thực sự được sản xuất và đưa vào sử dụng trên thị trường. Đây là mức hiệu suất mà người tiêu dùng có thể mong đợi khi mua và sử dụng hệ thống pin mặt trời.
Đặc điểm:
Hiệu quả thương mại hóa thường thấp hơn hiệu quả phòng thí nghiệm vì phải tính đến nhiều yếu tố thực tế trong quá trình sản xuất hàng loạt, chẳng hạn như sự thay đổi về vật liệu, dung sai sản xuất và độ tin cậy lâu dài.
Hiệu quả này được đo trong các điều kiện gần với điều kiện vận hành thực tế hơn, bao gồm nhiệt độ thay đổi, điều kiện ánh sáng và khả năng che bóng.
Hiệu quả thương mại phản ánh rõ hơn hiệu suất thực tế của pin mặt trời trong quá trình sử dụng hàng ngày.
Sự khác biệt
Hiệu suất: Hiệu quả trong phòng thí nghiệm thường cao hơn hiệu quả thương mại vì nó đạt được trong điều kiện lý tưởng.
Ứng dụng: Hiệu quả phòng thí nghiệm được sử dụng nhiều hơn trong nghiên cứu và phát triển để thúc đẩy đột phá công nghệ mới; trong khi hiệu quả thương mại tập trung vào hiệu suất sản phẩm thực tế và khả năng cạnh tranh trên thị trường.
Chi phí: Khi đạt được hiệu quả thương mại hóa, chi phí sản xuất và tính khả thi của sản xuất quy mô lớn cũng cần được xem xét, nhưng đây thường không phải là yếu tố chính cần cân nhắc khi xác định hiệu quả của phòng thí nghiệm.
Các xu hướng chính trong công nghệ pin mặt trời
Những đột phá trong tương lai pin mặt trời công nghệ tập trung vào việc cải thiện hiệu quả, giảm chi phí, tăng độ bền và thích ứng với nhu cầu của các ứng dụng đa dạng. Sau đây là triển vọng chi tiết về các xu hướng này:
Tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng
Pin mặt trời đa điểm: Bằng cách xếp chồng các vật liệu bán dẫn với các khoảng cách dải khác nhau, các tế bào quang điện đa giao thoa có thể hấp thụ một dải ánh sáng mặt trời rộng hơn, do đó cải thiện hiệu suất tổng thể. Trong tương lai, có thể thấy nhiều tế bào quang điện ba giao thoa và thậm chí bốn giao thoa hơn.
Sự kết hợp của chalcogenide và silicon: Sự kết hợp giữa pin mặt trời chalcogenide với pin silicon thông thường để tạo thành pin mặt trời lai hoặc xếp chồng có thể mang lại hiệu suất cao hơn và phản ứng quang phổ tốt hơn.
Giảm chi phí và cải thiện tính bền vững
Mở rộng quy mô sản xuất: Chi phí sản xuất pin mặt trời dự kiến sẽ giảm hơn nữa khi công nghệ ngày càng hoàn thiện và sản xuất được mở rộng.
Vật liệu tái tạo: Nghiên cứu và phát triển các vật liệu thân thiện với môi trường, có thể tái chế và giảm sự phụ thuộc vào các vật liệu hiếm và độc hại sẽ giúp cải thiện tính bền vững về môi trường của pin mặt trời.
Tăng cường độ bền và độ tin cậy
Cải thiện sự ổn định lâu dài: Các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu cải thiện độ ổn định lâu dài và khả năng chống chịu thời tiết của pin mặt trời để ứng phó với nhiều điều kiện môi trường khác nhau và kéo dài tuổi thọ của chúng.
Vật liệu tự phục hồi: Phát triển vật liệu pin mặt trời có khả năng tự sửa chữa những hư hỏng nhỏ để duy trì hiệu suất cao lâu dài.
Kết thúc
Việc cải thiện hiệu quả của pin mặt trời đã bước vào giai đoạn nhanh chóng, đặc biệt là với việc sử dụng thực tế các tế bào chalcogenide sẽ mang lại sức sống mới cho lĩnh vực này. Việc cải tiến liên tục hiệu suất của tế bào quang điện là yếu tố chính thúc đẩy sự phát triển của công nghệ năng lượng mặt trời và sự tiếp nhận của thị trường.
Thông qua những đổi mới trong khoa học vật liệu, thiết kế tế bào tiên tiến và tiến bộ trong công nghệ sản xuất, các tế bào năng lượng mặt trời đang trở nên hiệu quả hơn, tiết kiệm chi phí hơn và đáng tin cậy hơn. Với những cải tiến hơn nữa về hiệu quả và ứng dụng các công nghệ mới, chúng ta có thể mong đợi rằng chúng sẽ cung cấp các giải pháp năng lượng đáng tin cậy hơn và tiết kiệm chi phí hơn cho các hộ gia đình và doanh nghiệp.
Cuối cùng, đi đến AliExpress để khám phá nhiều xu hướng năng lượng tái tạo và duyệt danh sách các sản phẩm, bao gồm cả pin mặt trời dùng cho gia đình và doanh nghiệp.
