ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC – BỘ MÔN KỸ THUẬT HỮU CƠ


Bác cáo tiểu luận

Đề tài: PIN

NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI
GVHD:Thầy Nguyễn Trường Sơn
Lớp: HC16CHC
Tên: Đồng Thanh Thủy Tiên
MSSV: 1613505

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 10 năm 2019

1


MỤC LỤC
1.1.

Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời............................................................4

1.1.1.

Giới thiệu chung về nguồn năng lượng mặt trời.....................................4

1.1.2.

Lịch sử hình thành pin năng lượng mặt trời............................................5

1.1.3.

Cấu tạo và nguyên lí hoạt động pin năng lượng mặt trời........................8

1.1.3.1. Cấu tạo................................................................................................8
a)

Vật liệu...................................................................................................8

b)

Cấu trúc các lớp bên trong pin..............................................................10

c)

Quy trình sản xuẩt................................................................................14

1.1.3.2. Nguyên lí hoạt động..........................................................................16
1.1.4.

Ứng dụng trong đời sống......................................................................17

a)

Bộ điều khiển sạc.................................................................................18

b)


Ắc-quy (hoặc pin sạc)...........................................................................19

c)

Bộ kích inverter DC/AC.......................................................................19

1.1.5.

Ưu điểm và khuyết điểm việc sử dụng pin năng lượng mặt trời...........21

1.1.5.1. Ưu điểm............................................................................................21
1.1.5.2. Khuyết điểm.....................................................................................22
1.2.

Ảnh hưởng của việc sử dụng năng lượng pin năng lượng mặt trời với môi

trường
a)

Về vấn đề xử lí và tái sử dụng..............................................................23

b)

Về hiệu quả...........................................................................................24

c)

Giảm lượng khí thải độc hại.................................................................26


2


MỤC LỤC HÌNH
Hình 1: Sự hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời..........................................................4
Hình 2: Charles Fritts và mô đun quang điện đầu tiên...................................................6
Hình 3: Nhóm ba nhà khoa học trong một thí nghiệm với pin năng lượng Mặt Trời (Từ
trái qua: Pearson, Chapin và Fuller)...............................................................................7
Hình 4: Quá trình tạo electron tự do và lỗ trống............................................................9
Hình 5: Cấu tạo các phần chính pin.............................................................................10
Hình 6: Solar cell và các loại Solar panel chính...........................................................10
Hình 7: Lớp kính pin...................................................................................................12
Hình 8: Khung nhôm...................................................................................................13
Hình 9: Hộp đựng mối nối...........................................................................................13
Hình 10: Quy trình sản xuất pin cơ bản.......................................................................14
Hình 11: Lớp bán dẫn p-n............................................................................................16
Hình 13: Hệ thống điện mặt trời độc lập......................................................................18
Hình 14: Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời XUNG 12V-120W...........................19
Hình 15: Bình ắc-quy...................................................................................................19
Hình 16: Bộ kích inverter............................................................................................19
Hình 17: Hệ thống điện hòa lưới..................................................................................20
Hình 18: Một số ứng dụng pin.....................................................................................21
Hình 19: Phương pháp tái chế pin mặt trời silic...........................................................24
Hình 20: Con đường vận chuyển điện từ nhà máy nhiệt điện......................................25
Hình 21: Lượng khí CO2 do sản xuất điện năm 2014..................................................26

3


1.1.


Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời

1.1.1.

Giới thiệu chung về nguồn năng lượng mặt trời

Mặt trời, dự kiến sẽ tồn tại trong sáu tỷ năm nữa, so với tuổi thọ của con người
dường như tồn tại mãi mãi. Điều này làm cho năng lượng mặt trời hay còn gọi là solar
energy trở nên đáng tin cậy bởi nó có thể khai thác được hầu như mọi nơi . Trái đất
nhận từ mặt trời nguồn năng lượng khổng lồ về nhiệt và bức xạ ánh sáng. Ánh sáng
Mặt Trời dù bị phản xạ, hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần
nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần 1.000 Watt/m² năng lượng Mặt Trời tới Trái
Đất.
Cụ thể, Trái Đất nhận được 174 petawatts (PW) của bức xạ mặt trời khoảng 30%
được phản xạ trở lại không gian trong khi phần còn lại được hấp thụ bởi các đám mây,
đại dương và vùng đất. Phổ của ánh sáng năng lượng mặt trời ở bề mặt Trái Đất là chủ
yếu lây lan qua nhìn thấy được và cận hồng ngoại phạm vi với một vai nhỏ trong các
cận tử ngoại.

Hình 1: Sự hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời

Bề mặt Trái Đất, biển và bầu không khí hấp thụ bức xạ mặt trời và điều này làm
tăng nhiệt độ của chúng. Không khí ấm có chứa nước bốc hơi từ các đại dương tăng
lên, gây ra lưu thông khí quyển hoặc đối lưu. Khi không khí đạt đến một độ cao, nơi
nhiệt độ thấp, hơi nước ngưng tụ thành mây, mưa lên trên bề mặt của Trái Đất, hoàn
4


thành chu kỳ nước. Ánh sáng mặt trời bị hấp thụ bởi các đại dương và các vùng đất

giữ bề mặt ở nhiệt độ trung bình là 14 °C.
Từ lâu người ta đã nghĩ đến việc sử dụng nguồn năng lượng to lớn này trong sản
xuất điện năng và phổ biến nhất là về pin năng lượng mặt trời (solar panels) - là thiết
bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng
lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện.
1.1.2.

Lịch sử hình thành pin năng lượng mặt trời

Hiệu ứng quang điện được

phát

hiện đầu tiên

năm 1839 bởi nhà vật

lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel lúc ông 19 tuổi. Willoughby Smith nhắc đến
phát minh này trong một bài báo xuất bản ngày 20 tháng 2 năm 1873 trên tạp
chí Nature.
Không lâu sau đó, nhà phát minh người Mỹ Charles Fritts đã tạo nên một bước tiến
lớn trong công nghệ khi chế tạo thành công một mô đun quang điện đầu tiên trên thế
giới. Với mô đun đầu tiên, Fritts đã phủ một lớp mỏng và rộng lên một chiếc dĩa kim
loại. Sau đó, ông đã dùng một lá vàng cực mỏng và bán trong suốt để bao phủ lên
chiếc dĩa. Theo báo cáo của Fritts, mô đun selen do ông chế tạo có thể tạo ra một dòng
điện liên tục, ổn định và có cường độ đáng kể,... không chỉ với ánh sáng ban ngày, ánh
sáng yếu mà còn hoạt động với cả ánh sáng bóng đèn.
Với thành công của mình, Fiotts đã lạc quan dự đoán rằng mô hình các tấm quang
điện của ông có thể thay thế được phương pháp tạo ra điện bằng cách đốt than vốn
đang được sử dụng phổ biến bấy giờ. Tuyên bố của ông ra đời 3 năm sau khi Thomas

Edison chế tạo ra phương pháp sản xuất điện bằng nhiệt lượng từ đốt nhiên liệu hóa
thạch như than, dầu,...Tuy nhiên vào thời bấy giờ, người ta chỉ biết tới việc nhiệt năng
có thể chuyển đổi thành điện năng nhờ vào phát hiện trước đó của Edison. Vì vậy,
phần lớn các nhà khoa học đều từ chối tiếp tục nghiên cứu hiện tượng quang điện.

5


Hình 2: Charles Fritts và mô đun quang điện đầu tiên

Mãi cho đến 1905, Einstein đã nêu ra một thuộc tính của ánh sáng mà các nhà
khoa học trước đó không công nhận. Ông đã phát hiện ra rằng ánh sáng bao gồm các
"gói" năng lượng và ông gọi đó là quanta (hiện nay là các photon). Tất cả những điều
này đều là bước ngoặc cho sự phát triển của quang điện trong thế kỷ 19. Tiến sĩ Bruno
Lange - nhà khoa học người Đức từng thiết kế nên mô đun quang điện tương tự như
Fritt vào năm 1931. Dù vậy, do pin năng lượng mà Lange chế tạo hoạt động kém hiệu
quả hơn so với phiên bản của Fritt, chỉ chuyển hóa được khoảng 1% năng lượng từ ánh
sáng Mặt Trời thành điện năng. Điều này không đủ để biện minh cho tính khả thi khi
khai thác năng lượng Mặt Trời trên quy mô công nghiệp.
Mọi chuyện xoay quanh việc khai thác quang điện tưởng chừng như đã chấm
dứt mãi cho tới khi các nhà nghiên cứu phát hiện ra các khả năng của Silic. Đây là
bước ngoặc lớn trong sự phát triển của pin Mặt Trời. Các nhà nghiên cứu đã vô tình
phát hiện ra khả năng này trong quá trình chế tạo ra các bóng bán dẫn silic - thành
phần chính của mọi thiết bị điện tử ngày nay và hai nhà khoa học là Calvin Fuller và
Gerald Pearson thuộc phòng thí nghiệm nổi tiếng Bell Laboratories (hiện nay là phòng
thí nghiệm AT&T) trở thành những nhà tiên phong trong việc chế tạo điốt bán dẫn silic
từ hình thành các lý thuyết ban đầu đến thực tiễn chế tạo.
Vào cuối tháng 2 năm 1953, nhà khoa học Chapin cũng bắt đầu tham gia dự án
thực hiện nghiên cứu quang điện. Có những trở ngại xuất hiện và dường như không
thể vượt qua. Và Chapin tìm lại những lý thuyết lượng tử ánh sáng của Enstein cũng

như các nghiên cứu về bán dẫn trước đó của Pearson và Fuller. Cuối cùng, ông nhận ra
một điều rằng cần phải nhờ đến sự giúp đỡ của Fuller nhằm đưa cấu trúc chuyển tiếp
p-n càng gần với bề mặt pin càng tốt. Bên cạnh đó, Chapin nhận thấy bề mặt của tấm
6


silic quá sáng bóng nên sẽ phản xạ lại một lượng ánh sáng đáng kể. Do đó, ông chọn
cách phủ một tấm plastic mờ. Tiếp theo, ông phủ một lớp Bo lên trên bề mặt trên cùng
của tấm pin quang điện để có thể thu được nhiều photon hơn.Và kết quả cuối cùng là
tấm pin mặt trời đúng như mục tiêu của Chapin đặt ra - có hiệu suất chuyển đổi 6%.
Nhóm ba nhà khoa học đã báo cáo công trình nghiên cứu với Viện hàn lâm khoa học
quốc gia về những thành công đạt được.
Ngày 25/4/1954, giám đốc của phòng thí nghiệm Bell đã chính thức giới thiệu
tấm pin Mặt Trời cho giới báo chí. Đó là một bảng chứa các tế bào quang điện có thể
tạo ra một lượng điện năng để quay một đu quay Ferris đường kính 21 inch.

Hình 3: Nhóm ba nhà khoa học trong một thí nghiệm với pin năng lượng Mặt Trời (Từ trái qua:
Pearson, Chapin và Fuller)

Cuối cùng thì pin năng lượng Mặt Trời đã chính thức là một nguồn năng lượng
mới cho con người. Kể từ đó cho đến hiện nay, pin năng lượng Mặt Trời tiếp tục được
cải tiến và hoàn thiện nhằm nâng cao hiệu suất làm việc nhưng phương pháp chế tạo
đơn giản và có giá thành thấp. Vô số phương pháp đã được phát triển và áp dụng để
cuối cùng là những tấm pin năng lượng Mặt Trời như chúng ta thấy hiện nay.
Cụ thể, nhà máy sản xuất pin mặt trời đầu tiên được đầu tư ở Việt Nam xây dựng tại
huyện Đức Hòa, tỉnh Long An, có thể cung cấp các tấm pin năng lượng mặt trời, mỗi
tấm công suất 80-165 Wp điện với hiệu suất 16%. Nhà máy có thể cung cấp lượng sản
phẩm 5 MWp/năm, khởi công vào tháng 3/2008 với kinh phí đầu tư 10 triệu USD do
Công ty cổ phần năng lượng Mặt Trời Đỏ TP HCM với hai đối tác là Trung Tâm tiết
kiệm năng lượng TP HCM (thuộc Sở Khoa học công nghệ TP HCM) và Công ty

TNHH Tân Kỷ Nguyên, khánh thành ngày 27/4/2009.

7


1.1.3.

Cấu tạo và nguyên lí hoạt động pin năng lượng mặt trời

1.1.3.1. Cấu tạo
a) Vật liệu
Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao
gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) – là phần tử bán dẫn có thành phần chính là
sillic tinh khiết – có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt
quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.
Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán
dẫn) là các silic tinh thể. Người ta có thể chế tạo bán dẫn bằng carbon và thậm chí là
bằng loại vật liệu kỳ lạ như gecmani, hoặc nhiều chất khác nhưng không chất nào
trong số đó cho phép sản xuất số lượng lớn, tinh thể kích thước to và tinh khiết như
silic (ít ra đến thời điểm hiện tại là không được). Silic không phải là chất bán dẫn duy
nhất trên Trái Đất và thậm chí, nó cũng không phải là chất bán dẫn tốt nhất hành tinh.
Nhưng cho đến nay thì nó vẫn là chất bán dẫn phổ biến nhất trên Trái Đất độ phổ biến
thứ 2. Chính xác hơn, silic có sẵn ở khắp mọi nơi, người ta có thể khai thác dễ dàng,
các tập đoàn sản xuất cũng không cần phải mất nhiều thời gian, quy trình phức tạp
hoặc ô nhiễm để tạo ra nó. Ngoài việc dễ sản xuất, điều quan trọng nhất là các nhà
khoa học đã tìm được cách khả thi để sản xuất ra silic ở dạng tinh thể một cách hoàn
hảo.
Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
 Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski.
Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất mắc tiền do được

cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các
module.
 Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội
và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém
hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn
đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.

8


 Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh
thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các
loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.
Tuy nhiên pin Mặt trời silic có một số hạn chế về kinh tế, kỹ thuật.
- Vật liệu xuất phát là silic tinh khiết nên rất đắt. Ban đầu là làm từ sili đơn tinh thể
dùng trong công nghệ vi điện tử, tuy chỉ là dùng đầu thừa đuôi thẹo nhưng giá vẫn là
khá cao. Đã có những cách dùng silic đa tinh thể, silic vô định hình tuy hiệu suất thấp
hơn nhưng bù lại giá rẻ hơn. Nhưng xét cho cùng thì vật liệu silic sử dụng phải là tinh
khiết nên giá thành rẻ hơn không nhiều.
- Đối với silic, để đưa electron từ miền hoá trị lên miền dẫn phải tốn năng lượng cỡ 1,1
eV. Vậy năng lượng của photon đến phải bằng hoặc cao hơn 1,1eV một chút là đủ để
kích thích eletron nhảy lên miền dẫn, từ đó tham gia tạo thành dòng điện.
Để tăng độ dẫn điện của silicon, các nhà khoa học đã “tạp chất hóa” nó bằng
cách kết hợp nó với các vật liệu khác. Quá trình này được gọi là “doping” và silicon
pha tạp với các tạp chất tạo ra nhiều electron tự do và lỗ trống.
Chất bán dẫn loại N: Khi ta pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Phospho
(P) vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết
cộng hoá trị, nguyên tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện
tử và trở thành điện tử tự do => Chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử ( mang
điện âm) và được gọi là bán dẫn N ( Negative : âm ).


electron

Lỗ trống
electron

Hình 4: Quá trình tạo electron tự do và lỗ trống.

9


Chất bán dẫn loại P: Ngược lại khi ta pha thêm một lượng nhỏ chất có hoá trị 3
như Indium (In) vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử Indium sẽ liên kết với 4
nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị và liên kết bị thiếu một điện tử => trở thành lỗ
trống ( mang điện dương) và được gọi là chất bán dẫn P (Positive: dương).
b) Cấu trúc các lớp bên trong pin năng lượng mặt trời Solar Panel
Một pin năng lượng mặt trời (PV) silic cơ bản có 6 phần chính:

Hình 5: Cấu tạo các phần chính pin

 Lớp tế bào quang điện Solar cells bên trong

10


Hình 6: Solar cell và các loại Solar panel chính

Như đã nói ở trên , các tế bào quang điện là thành phần chính và có chức năng
hấp thu ánh sáng mặt trời và biến đổi thành điện năng. Các tế bào tinh thể silics này có
thể là đơn tinh thể (gọi là Pin Mono) hoặc đa tinh thể (gọi là Pin Poly), tùy theo quy

trình sản xuất của từng hãng pin mặt trời .
Các đặc tính kỹ thuật chính là: kích thước, màu sắc, số lượng tế bào – Cells pin và
quan trọng hơn hết là hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời. Hiện nay , các tế bào Cells
pin phổ biến nhất là các tế bào đa tinh thể Poly với hiệu suất chuyển hóa khoảng
17,6%, tạo ra một pin mặt trời 250W với 60 cells. Các tế bào Cells này được liên kết
với nhau bằng một dây đồng mỏng được phủ một hợp kim thiếc.
 Lớp kính trước của pin mặt trời
Phần kính mặt trước của pin mặt trời là phần nặng nhất. Nó có chức năng bảo vệ và
đảm bảo độ bền cho toàn bộ tấm pin mặt trời, duy trì độ trong suốt cao. Độ dày của lớp
này thường là 3,3mm nhưng nó có thể dao động từ 2 mm đến 4mm tùy thuộc vào loại
kính mà hãng sản xuất pin đó chọn. Kính thường là kính cường lực cường độ cao, dày
11


từ 3.0 đến 4.0mm và được thiết kế chống lại tải trọng cơ học và thay đổi nhiệt độ khắc
nghiệt. Trong trường hợp xảy ra tai nạn hoặc kính cường lực va chạm mạnh cũng an
toàn hơn nhiều so với kính tiêu chuẩn vì nó vỡ thành các mảnh nhỏ thay vì các phần
răng cưa sắc nhọn. Điều quan trọng là phải chú ý đến các yếu tố như chất lượng độ
cứng, độ truyền quang phổ và truyền ánh sáng. Pin càng tốt thì lớp kính trước này hấp
thu ánh sáng đi qua tốt hơn, phản xạ ánh sáng ít hơn.
Để cải thiện hiệu quả và hiệu suất, kính được sử dụng bởi hầu hết các nhà sản xuất
có hàm lượng sắt rất thấp và lớp phủ chống phản chiếu ở phía sau để giảm tổn thất và
cải thiện truyền ánh sáng.

Hình 7: Lớp kính pin

 Tấm nền của pin
Tấm nền mặt sau của pin mặt trời được làm từ một vật liệu nhựa có chức năng cách
ly điện, bảo vệ và che chắn các tế bào PV khỏi thời tiết và độ ẩm. Tấm đặc biệt này
thường có màu trắng và được bán ở dạng cuộn hoặc tấm. Các loại pin các hãng khác

nhau có thể khác nhau về độ dày, màu sắc và sự hiện diện của các vật liệu cụ thể để
che chắn tốt hơn hoặc cho độ bền cơ học cao hơn.
 Lớp đóng gói
Một trong những vật liệu quan trọng nhất là lớp đóng gói– là chất kết dính giữa các
lớp khác nhau của pin mặt trời. Vật liệu phổ biến nhất được sử dụng là EVA –
Ethylene vinyl acetate. Nó là một polymer đục mờ được đóng theo cuộn phải được cắt
thành tấm và nằm trước - sau các tế bào quang điện. Khi chịu một quá trình nhiệt của
12


nấu chân không, loại polymer đặc biệt này trở đăc lại thành keo trong suốt và kết dính
các tế bào quang điện. Quá trình này được gọi là “cán màng”, đảm bảo tuổi thọ cao
cho chính tấm pin đó, đồng thời có ảnh hưởng đến việc truyền ánh sáng, tốc độ xử lý
và khả năng chống lại màu vàng do tia UV.
Việc ghép hai bên của các tế bào PV còn cung cấp khả năng hấp thụ sốc và giúp
bảo vệ các tế bào và dây kết nối khỏi sự rung động và tác động đột ngột từ đá mưa đá
và các vật thể khác.
 Khung
Một trong những phần cuối cùng được lắp ráp pin mặt trời là khung. Nó thường
được làm bằng nhôm và có chức năng đảm bảo độ bền cho tấm pin.
Khung nhôm bảo vệ cạnh của phần chứa các tế bào và cung cấp một cấu trúc vững
chắc để gắn bảng điều khiển năng lượng mặt trời. Các phần nhôm ép đùn được thiết kế
cực kỳ nhẹ, cứng và có thể chịu được áp lực cực lớn và tải từ gió lớn và các lực bên
ngoài. Khung nhôm có thể có màu bạc hoặc đen anot và tùy thuộc vào nhà sản xuất
bảng điều khiển, các phần góc có thể được vặn, ép hoặc kẹp lại với nhau cung cấp các
mức độ mạnh và độ cứng khác nhau.

Hình 8: Khung nhôm

 Hộp đựng mối nối mạch điện


13


Hình 9: Hộp đựng mối nối

Hộp đựng mối nối là một vỏ bọc chống thời tiết nhỏ nằm ở phía sau của bảng
điều khiển. Nó là cần thiết để gắn chắc chắn các dây cáp cần thiết để kết nối các bảng.
Hộp nối rất quan trọng vì nó là điểm trung tâm nơi tất cả các tế bào đặt liên kết với
nhau và phải được bảo vệ khỏi độ ẩm và bụi bẩn. có chức năng đưa các mối nối điện
của mô đun pin mặt trời ra bên ngoài. Nó chứa các dây cáp để kết nối các tấm trong hệ
thống.
Hộp nối cũng chứa các điốt cần thiết để ngăn dòng điện ngược xảy ra khi một số
ô bị bóng hoặc bẩn. Điốt chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng. Khi chọn hộp
nối, chúng ta nên chú ý đến chất lượng nhựa, độ tốt của khớp nối.
c) Quy trình sản xuẩt
Các tế bào quang điện tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời. Về cơ bản, điều này có được
bằng cách cho phép các hạt ánh sáng từ mặt trời đánh bật các electron từ các nguyên tử
trong các tế bào PV.

14


Hình 10: Quy trình sản xuất pin cơ bản

1. Nung nguyên liệu thô
Nguyên liệu làm pin mặt trời chính là silicon tinh khiết thế nhưng trong trạng thái
tự nhiên thì nó thường rất thô, chúng có nguồn gốc từ silicon đioxit chẳng hạn như đá
thạch anh (silica tinh khiết nhất) hay thạch anh nghiền.
Để tạo ra pin năng lượng mặt trời, đầu tiên sẽ đặt các nguyên liệu thô trên vào lò

nung quang điện, là nơi cacbon 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.
Quá trình làm sạch silicon 99% silicon tinh khiết còn lại được tinh chế hơn nữa
bằng cách sử dụng kỹ thuật floating zone.
2. Quá trình pha tạp
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. 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 này 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.
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.
3. 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.

15


4. Phủ lớp chống phản quang
Silicon tinh khiết rất sáng bóng, có thể phản xạ tới 35% ánh sáng mặt trời. Nên 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.
5. Đóng gói tế bào thành tấm pin
Các tế bào được phủ một chất chống phản xạ để chúng không phản xạ lại ánh sáng
mặt trời sau khi hoàn thành được đóng gói lại tạo thành các modul 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 liên kết xung quanh các tế bào,
sau đó nhúng trong etylen vinyl axetat.
1.1.3.2. Nguyên lí hoạt động
Khi cho hai khối bán dẫn n và p tiếp xúc nhau, ở chỗ tiếp xúc p - n này một ít
electron ở bán dẫn loại n chạy sang bán dẫn loại p lấp vào lỗ trống thiếu electron, ở đó.
Kết quả là ở lớp tiếp xúc p-n có một vùng thiếu electron cũng thiếu cả lỗ trống, người
ta gọi đó là vùng nghèo. Sự dịch chuyển điện tử để lấp vào lỗ trống tạo ra vùng nghèo
này cũng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp xúc p - n. Đây là hiệu thế sinh ra ở chỗ
tiếp xúc không tạo ra dòng điện được.

Hình 11: Lớp bán dẫn p-n

16


Nhưng nếu đưa phiến bán dẫn đã tạo lớp tiếp xúc p - n phơi cho ánh sáng mặt
trời chiếu vào thì photon của ánh sáng mặt trời có thể kích thích làm cho điện tử đang
liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ
trống vì thiếu electron, người ta gọi là photon đến tạo ra cặp electron - lỗ trống. Nếu
cặp electron - lỗ trống này sinh ra ở gần chỗ có tiếp p - n thì hiệu thế tiếp xúc sẽ đẩy
electron về một bên (bên bán dẫn n) đẩy lỗ trống về một bên (bên bán dẫn p). Nhưng
cơ bản là electron đã nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn ở mức cao
hơn, có thể chuyển động tự do. Càng có nhiều photon chiếu đến càng có nhiều cơ hội
để electron nhảy lên miền dẫn.

Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua
một phụ tải như lèn LED chẳng hạn) thì electron từ miền dẫn của bán dẫn loại n sẽ qua
mạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại p lấp vào các lỗ trống. Đó là dòng điện pin Mặt
trời silic sinh ra khi được chiếu sáng. Trong quá trình trên, cơ bản electron chỉ di
chuyển từ điện cực N đến P nên rất ít sự hao mòn, và pin có thể tồn tài trong thời gian
rất dài.

Hình 12: Sơ đồ hoạt động của pin mặt trời silic

Hầu hết các tấm pin mặt trời dân cư chứa 60 tế bào được liên kết với nhau thông
qua các thanh cái nối tiếp để tạo ra điện áp trong khoảng 30-40 volt tùy thuộc loại sử
dụng. Các tấm pin mặt trời lớn hơn được sử dụng cho các hệ thống thương mại và
trang trại năng lượng mặt trời quy mô tiện ích chứa 72 hoặc thậm chí 90 tế bào và lần
lượt hoạt động ở điện áp cao hơn. Các tiếp điểm điện kết nối các tế bào được gọi là
thanh cái và cho phép dòng điện chạy qua tất cả các tế bào trong một mạch.

17


1.1.4.

Ứng dụng trong đời sống

Năng lượng điện từ pin mặt trời không thể sử dụng trực tiếp do nguồn điện 1 chiều
và nguồn không ổn định, nên ta cần lắphệ thống chuyển đổi - chuyển trực tiếp năng
lượng mặt trời thành điện năng để sử dụng độc lập mà không cần thông qua lưới
điện( hệ thống điện mặt trời độc lập)

Hình 13: Hệ thống điện mặt trời độc lập


 Nguyên lý hoạt động hệ thống diện mặt trời: Hệ thống pin năng lượng mặt
trời sẽ nhận bức xạ mặt trời và chuyển hóa thành nguồn điện một chiều (DC).
Nguồn điện DC này sẽ được nạp vào bình ắc quy ( để lưu trữ điện ) thông qua
bộ điều khiển sạc (có chức năng bảo vệ ắc quy, và tấm pin ) . Sau đó điện được
lưu ắc quy được kích lên 220Volt sine chuẩn để sử dụng cho các thiết bị .
 Gồm các thành phần chính:
a) Bộ điều khiển sạc
Tấm PV luôn có 2 dây điện là đầu ra, gồm một dây ra điện âm (-) và một dây ra
điện dương (+). Được nối với bộ điều khiển có chức năng tự động điều hòa dòng điện
từ pin mặt trời.
Khi ắc-quy đầy bộ điều khiển sạc sẽ tự động ngưng sạc đồng thời khi ắc-quy
quá cạn nó sẽ không đưa điện DC ra tải nhằm bảo vệ và kéo dài tuổi thọ của ắc-quy.
Khi điện áp của ắc-quy giảm sẽ tự động nạp lại cho đến khi đầy. Có tác động bảo vệ
18


ắc-quy khỏi các hiện tượng: quá tải, quá sạc, ngược cực ắc quy, ngăn dòng điện ngược
từ ắc quy lên tấm pin vào ban đêm.

Hình 14: Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời XUNG 12V-120W

b) Ắc-quy (hoặc pin sạc)
Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập cần thiết bị ăc-quy (hoặc pin sạc) để
dự trữ điện cho ta sử dụng vào ban đêm. Ngoài ra nó còn có chức năng ổn áp và cung
cấp dòng điện ổn định cho thiết bị cả ngày lẫn đêm. Ngày nay người ta có thể không
cần sử dụng pin lưu trữ này bằng cách sử dụng hệ thống điện hòa lưới.

Hình 15: Bình ắc-quy

c) Bộ kích inverter DC/AC

Trước khi dc sử dụng qua Bộ đổi nguồn DC ra AC (Bộ kích inverter DC/AC)
Đây là thiết bị dùng để đổi nguồn 1 chiều (DC) thành nguồn xoay chiều (AC).
Người ta thường gọi là cục kích Inverter.Các thiết bị điện dân dụng thường là loại thiết
bị xoay chiều 220V. Cho nên bạn cần phải có bộ đổi nguồn DC/AC để biến dòng DC
thành dòng AC cho ta sử dụng.

Hình 16: Bộ kích inverter

19


Hiện nay người ta còn áp dụng sử dụng hệ thống điện hòa lưới:

Hình 17: Hệ thống điện hòa lưới

•

Khi công suất hòa lưới bằng công suất tải thì tải tiêu thụ điện hoàn toàn từ pin

mặt trời.
•

Khi công suất tải tiêu thụ lớn hơn công suất hòa lưới thì tải sẽ lấy thêm lưới bù

vào. Buổi tối sẽ dùng nguyên điện từ mạng lưới điện nhà nước vì không có ánh nắng
mặt trời.
•

Bộ công thương đã có dự thảo ban hành việc người dùng có thể bán lại điện cho


Tập Đoàn điện lực Việt Nam EVN tại Thông tư 16/2017/TT-BCT. Theo đó, khi khách
hàng lắp đặt hệ thống Điện năng lượng mặt trời hòa lưới, công ty điện lực tỉnh sẽ phối
hợp cùng nhà đầu tư lắp đặt công tơ hai chiều, đồng thời ghi nhận sản lượng điện tiêu
thụ và sản lượng điện mặt trời sản xuất hàng tháng. Số lượng điện không tiêu thụ sẽ
trực tiếp chuyển và bán lại cho EVN
•

Như vậy, nhà đầu tư hệ thống điện mặt trời hòa lưới vừa giảm 100% chi phí

điện hàng tháng, vừa sinh lợi nhuận từ việc bán điện hàng tháng cho EVN.
Bên cạnh đó, pin năng lượng mặt trời còn được ứng dụng nhiều trong đời sống
như làm pin dự trữ trong sạc điện thoại, đèn pin…

20


Hình 18: Một số ứng dụng pin

1.1.5.

Ưu điểm và khuyết điểm việc sử dụng pin năng lượng mặt trời

1.1.5.1. Ưu điểm
Nguồn năng lượng tái tạo
Trong số tất cả những lợi ích của các tấm pin mặt trời, điều quan trọng nhất là năng
lượng mặt trời là một nguồn năng lượng thực sự tái tạo. Nó có thể được khai thác ở tất
cả các khu vực trên thế giới và có sẵn mỗi ngày. Chúng ta không thể hết năng lượng
mặt trời, không giống như một số nguồn năng lượng khác. Năng lượng mặt trời sẽ có
thể sử dụng được miễn là chúng ta có mặt trời, do đó, ánh sáng mặt trời sẽ có sẵn cho
chúng ta trong ít nhất 6 tỷ năm nữa.

Sử dụng độc lập, bán độc lập
Ta có thể tự chủ nguồn điện mà không cần phụ thuộc vào điện lưới. Vì vậy khi nguồn
điện lưới có bị căt, bị chập chờn thì nguồn điện chúng ta đều không bị ảnh hưởng.Hệ
thống dễ dàng di chuyển và lắp đặt mọi nơi mà không bị vướng mắc như điện
lưới.Mang đến sự an toàn tuyệt đối cho người sử dụng. Chúng ta không còn lo bị điện
giật hay cháy nổ.
Hệ thống hoạt động trong cả thời tiết lạnh, chỉ cần có ánh sáng mặt trời. Những tấm
pin năng lượng mặt trời vẫn không ngừng hấp thụ và chuyển hóa thành điện năng.
Chi phí bảo trì thấp
Hầu hết các nhà sản xuất bảng điều khiển năng lượng mặt trời đáng tin cậy cung
cấp bảo hành 20-25 năm. Ngoài ra, vì không có bộ phận chuyển động, không có hao

21


mòn. Biến tần thường là bộ phận duy nhất cần thay đổi sau 5-10 năm vì nó liên tục
hoạt động để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng (pin mặt trời) và nhiệt
(nhiệt mặt trời). Ngoài biến tần, các dây cáp cũng cần bảo trì để đảm bảo hệ thống
năng lượng mặt trời chạy với hiệu suất tối đa. Vì vậy, sau khi trang trải chi phí ban đầu
của hệ mặt trời, ta có thể mong đợi rất ít chi tiêu cho công việc bảo trì và sửa chữa.
Có lợi ích kinh tế
Công nghệ trong ngành năng lượng mặt trời không ngừng phát triển và những cải
tiến sẽ tăng cường trong tương lai. Những đổi mới trong vật lý lượng tử và công nghệ
nano có khả năng làm tăng hiệu quả của các tấm pin mặt trời và tăng gấp đôi, hoặc
thậm chí gấp ba, đầu vào điện của hệ thống năng lượng mặt trời.
Ngày nay với việc sử dụng điện hòa lưới, các gia đình sử dụng ít nguồn điện năng
ngoài việc đảm bảo đủ lượng điện tiêu thụ còn có thể bán lại cho nhà sản xuất điện để
thu lợi nhuận kép.
Bảo vệ môi trường
Năng lượng mặt trời sạch, tái tạo (không giống như dầu, khí đốt và than đá) và bền

vững, góp phần bảo vệ môi trường.
Nó không gây ô nhiễm không khí do khí carbon dioxide phát hành, oxit nitơ, khí
lưu huỳnh hoặc thủy ngân vào khí quyển giống như nhiều hình thức truyền thống.
Điều này sẽ được minh chứng rõ hơn ở phần sau.
1.1.5.2. Khuyết điểm
Chi phí ban đầu cao
Dù không tiêu tốn nhiên liệu và chi chí vận hành nhiều chi phí ban đầu để mua
một hệ thống năng lượng mặt trời gồm pin và lắp đặt là khá cao. Tuy nhiên, các công
nghệ năng lượng mặt trời không ngừng phát triển, và giá tấm pin hiện tại đã giảm gần
80% so với 10 năm trước vì vậy chi phí lắp đặt được hi vọng sẽ giảm trong tương lai.
Phụ thuộc thời tiết

22


Mặc dù năng lượng mặt trời vẫn có thể được thu trong những ngày nhiều mây và
mưa, nhưng hiệu quả của nó giảm xuống. Các tấm pin mặt trời phụ thuộc vào ánh sáng
mặt trời để thu năng lượng mặt trời một cách hiệu quả. Do đó, vài ngày nhiều mây,
mưa có thể có ảnh hưởng rõ rệt đến hệ thống năng lượng.
Năng lượng mặt trời phải được sử dụng ngay lập tức, hoặc nó có thể được lưu trữ
trong pin lớn. Những pin này, được sử dụng trong các hệ thống năng lượng mặt trời
ngoài lưới, có thể được sạc vào ban ngày để năng lượng được sử dụng vào ban đêm.
Đây là một giải pháp tốt để sử dụng năng lượng mặt trời cả ngày nhưng nó cũng khá
tốn kém. Trong hầu hết các trường hợp, sẽ thông minh hơn khi chỉ sử dụng năng lượng
mặt trời vào ban ngày và lấy năng lượng từ lưới vào ban đêm (bạn chỉ có thể làm điều
này nếu hệ thống của bạn được kết nối với lưới). May mắn thay, nhu cầu năng lượng
của bạn thường cao hơn trong ngày để bạn có thể đáp ứng hầu hết nhu cầu năng lượng
mặt trời.
Sử dụng nhiều không gian
Muốn sản xuất càng nhiều điện, ta càng cần nhiều tấm pin mặt trời, vì muốn thu

thập càng nhiều ánh sáng mặt trời càng tốt. Các tấm pin mặt trời đòi hỏi nhiều không
gian và một số mái nhà không đủ lớn để phù hợp với số lượng tấm pin mặt trời muốn
có hoặc cấu tạo máy nhà không phù hợp).
Ngoài ra các tấm pin cần không gian đủ phẳng để đặt và nó cũng là một khó khăn
với một số gia đình.
1.2.

Ảnh hưởng của việc sử dụng năng lượng pin năng lượng mặt trời với môi

trường
a) Về vấn đề xử lí và tái sử dụng
Tuổi thọ của các tấm PV chất lượng cao thậm chí có thể đạt 30 đến 40 năm, và
vẫn hoạt động sau đó, mặc dù với hiệu quả giảm. Pin năng lượng mặt trời có thể tái
chế được khi không sử dụng.
Một tấm pin năng lượng mặt trời làm từ tinh thể silicon điển hình được tạo
thành từ 65 - 75% thủy tinh, 10 - 15% nhôm để làm khung, 10% nhựa và chỉ 3 - 5%
silicon.
23


Sau khi thu gom chúng dc đưa phân loại
tách phần loại bỏ tạp chất : Hầu như tất cả
(95%) kính có thể được tái sử dụng , trong khi
tất cả các bộ phận kim loại bên ngoài được sử
dụng để đúc lại các paneel mới . Các vật liệu
còn lại được xử lý ở 500 ° C. Do nhiệt độ quá
cao, nhựa đóng gói bay hơi và có nh biện pháp
tái sử dụng ng nguồn nhiệt này.

Hình 19: Phương pháp tái chế pin mặt trời silic


Sau khi xử lý nhiệt, phần cứng 80%
trong số này có thể dễ dàng được tái sử dụng,
trong khi phần còn lại được tiếp tục tinh chế. Các tấm bị nóng chảy được sử dụng lại
để sản xuất tấm pin mới với hiệu quả 85%.
Ngày nay người ta đã nghiên cứu ra phương pháp để tái chế hoàn toàn lượng
silicon này và đang được nghiên cứu áp dụng trong công nghiệp,ở châu âu cụ thể Pháp
năm đã có nhà máy tái chế chuyên dụng và ước tính đến khoáng 2030 sẽ tái chế dc 60
triệu tấm, ước tính các vật liệu thu hồi có thể trị giá 450 triệu USD
b) Về hiệu quả
Người ta nhận ra rằng năng lượng mà chúng ta sử dụng hằng ngày chỉ là sự
chuyển đổi với hiệu quả rất thấp từ các nguồn nhiêu liệu như than, dầu công nghiệp.
100 % cho đầu vào năng lượng nhiên liệu hóa thạch như than vào nồi hơi, chúng ta
thấy rằng do các tổn thất do máy móc của nhà máy điện như lò đốt, tuabin, máy phát
điện, máy biến áp cao thế đến đến khoảng 45-50%, qua quá trình truyền dẫn điện cao
áp tùy độ xa gần của đường truyền- nl đó trung bình hao hụt thêm 9% và cuối cùng
trước khi được đưa đến nơi sử dụng qua hệ thống phân phối, máy biến thế hạ áp phân
phối điện tùy vào nhu cấu sử dụng của gd hay nhà máy, quá trình tiếp tục mất mát 3050%, như vậy sau tổng quá trình trên, hiệu quả năng lượng này chỉ còn khoảng dưới
30% .
24


Hình 20: Con đường vận chuyển điện từ nhà máy nhiệt điện

Hơn nữa chi phí chúng ta ta đầu tư về hệ thống dây dẫn đường dài có thể lên
đến vài chục km, nhiều thết bị lưu trữ, mà máy biến thế và xử lí các khí, bụi gây hại là
vô cùng tốn kém, và đó còn chưa kể chi phí cho công tác bảo trì và khác phục nhiều sự
cố do hư hỏ, ăn mòn cho thiết bị đốt, nồi hơi …
Dựa vào, Bảng so sánh điện mặt trời sản xuất từ hộ dân cư và nhiên liệu hóa
thạch [10]


Delivery effectively
Maintenance
Tranmission lines
Equipment life span
Investment payback
Environmental impact

Solar energy power
Above 90%
Very minimal
None required
25-45 years
8-14 years
No polution

Fossil-fuel electric power
Less than 30%
Considerable
Very extensive
Maximum of 25 years
20-25 years
Very high polution index

Ta thấy điện mặt trời cho gia đình khắc được những ưu điểm trên do không tốn
chi phí đường dây dẫn dài. Không mất công vận hành, không gây ồn, hơn nữa như đã
nói trên đây là nguồn năng lượng gần như vô tận và ta sẽ không sợ việc hết nhiên liệu
cung cấp.
Hiện nay người ta đã chế tạo được những tấm pin với hiệu suất truyền dẫn cao
hơn 90% thậm chí là 95%, ngoài bộ phận Inventer thường là bộ phận duy nhất cần

thay đổi sau 5-10 năm vì nó liên tục hoạt động để chuyển đổi năng lượng mặt trời
thành điện năng (pin mặt trời) và nhiệt (nhiệt mặt trời) pin không có bộ phận trực tiếp
chuyển động do đó không gây hao mòn, không có các sự cố cháy nổ nguy hiểm.
Thông thường trong môi trường tốt khoảng mỗi năm một lần mới cần kiểm tra
bảo trì hệ thống - dây cáp để đảm bảo khả năng hoạt động tối ưu chính vì vậy giảm chi
25