Công nghệ và kỹ thuật của quang điện

"Địa tô" của bức xạ và chính sách giá điện mặt trời ở Việt Nam

TS. NGUYỄN THÀNH SƠN [*]

Trên cơ sở của hiệu ứng quang điện, người ta đã chế tạo ra các “tế bào quang điện” (photocell). Ngay từ khi mới được sáng chế, các tế bào quang điện (có hai loại: chân không và bán dẫn) được ứng dụng như những công cụ điện tử để chuyển hóa các photon ánh sáng thành điện năng dựa trên hiệu ứng phát quang điện tử hay phát quang bên trong. Ngày nay, từ các tế bào quang điện người ta đang sản xuất/chế tạo ra hàng loạt các pin mặt trời (PV) ở qui mô lớn để xây dựng các trạm (nhà máy) điện mặt trời. Các pin mặt trời hiện đại là một chuỗi các tế bào quang điện được gắn với nhau để chuyển đổi trực tiếp quang năng thành điện năng.

Về mặt chuyển hóa năng lượng, các pin mặt trời (PV) sử dụng các tế bào quang điện loại bán dẫn có hiệu suất cao hơn vì năng lượng được chuyển hóa trực tiếp và chỉ qua 1 cấp. Hiệu suất bình quân của các photocell loại này là 16%, một số loại đạt 25%. Trong điều kiện phòng thí nghiệm, hiệu suất của tế bào quang điện loại bán dẫn có thể đạt tới 44,7% (cao nhất đạt hơn 54% trong phòng thí nghiệm của Viện Dupna Nga).

Do không có các đi ốt chỉnh lưu tần số tương ứng với tần số của ánh sáng, hiện nay vẫn chưa chế tạo được các tế bào quang điện có khả năng tận dụng tính chất lượng từ của sóng điện tử giống  như sóng điện tử trong hệ thống anten lưỡng cực EMF. Mặc dù về mặt lý thuyết là khả thi.

Nguyên lý làm việc của tế bào quang điện

PV được coi là sản phẩm thứ hai do con người tạo ra trong nỗ lực chinh phục nguồn bức xạ vô tận của mặt trời để sử dụng cho các nhu cầu của mình (sản phẩm đầu tiên là các gương hội tụ nhiệt từ mặt trời để phản chiếu vào các mục đích dùng nhiệt - các nhà máy nhiệt điện mặt trời). PV trực tiếp sản sinh ra dòng điện, nên sử dụng PV có hiệu quả hơn nhiều so với việc sử dụng các tấm gương hội tụ trong các nhà máy nhiệt điện mặt trời.

Việc chuyển đổi năng lượng trong các tế bào quang điện dựa trên hiệu ứng quang điện xuất hiện trong các cấu trúc bán dẫn không đồng nhất khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.

Tính không đồng nhất trong cấu trúc của tế bào quang điện có thể đạt được bằng cách: pha cùng một chất bán dẫn với những tạp chất khác nhau (tạo ra liên kết p-n), hoặc kết hợp các chất bán dẫn khác nhau, hoặc thay đổi thành phần hóa học của chất bán dẫn để làm thành những chất bán dẫn khác nhau, hoặc có thể là tổ hợp của các giải pháp trên.

Tính hiệu quả của việc chuyển đổi năng lượng phụ thuộc vào các đặc tính vật lý điện tử của cấu trúc bán dẫn cũng như vào đặc tính quang học của tế bào quang điện, mà trong đó, vai trò quan trọng nhất là tính quang dẫn. Tính quang dẫn được hình thành nhờ các hiệu ứng quang điện bên trong các chất bán dẫn khi chúng tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.

Cấu tạo của PV

Chất bán dẫn: là chất mà trong các nguyên tử của nó hoặc là có dư thừa electron (bán dẫn loại “n”), hoặc là không đủ các electron (bán dẫn loại “p”). Theo đó, các tế bào quang điện bán dẫn được cấu tạo từ 2 lớp có tính dẫn điện khác nhau. Catốt được làm bằng lớp n, còn anốt - lớp p.

Từ lớp n các electron thừa sẽ rời bỏ các nguyên tử của mình, trong khi lớp p sẽ thu về các electron này. Khi chiếu vào tế bào quang điện, ánh sáng sẽ làm các electron bị “bắn” ra khỏi nguyên tử của lớp n, sau đó các electron này sẽ “bay” về phía lớp p để chiếm những chỗ còn trống. Như vậy, trong một tế bào quang điện, các electron chạy vòng quanh, đi ra từ lớp p, đi qua một phụ tải (ví dụ như acqui) và quay trở lại lớp n.

Sơ đồ nguyên lý của tế bào quang điện bán dẫn.

Vật liệu quang điện đầu tiên trong lịch sử là nguyên tố selen (Se). Vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX, các tế bào quang điện được sản xuất bằng selen (trong những năm trước 1960, ở Việt Nam, các đài bán dẫn thường được gọi là đài “selen”). Do hiệu suất quang điện của selen rất nhỏ (dưới 1%), người ta đã bắt đầu tìm kiếm vật liệu thay thế selen. Công ty truyền thông Bell Telephone đã sử dụng silic (Si) để làm chất bán dẫn và đã mở ra một kỷ nguyên mới trong sản xuất tế bào quang điện cho đến ngày nay. Tuy nhiên, silic có chi phí làm sạch cao, các phương án thay thế silic đang được thử bằng các hợp chất của đồng (Cu), Indi (In), gali (Ga) và cadmi (Cd).

Selen - chất bán dẫn đầu tiên, và silic chất bán dẫn phổ biến nhất.

Bình thường, ở dạng tinh thể, silic không phải là chất dẫn điện tốt. Vì vậy người ta phải thêm các hợp chất vào các tinh thể silic - quá trình doping.

Lớp dưới của photocell là slic được phủ một lớp bor tạo thành điện cực dương (p). Lớp trên là silic được phủ photspho tạo thành điện cực âm (n).

Mỗi photocell chỉ phát ra lượng điện rất nhỏ (vài W). Vì vậy chúng được liên kết với nhau trong một tấm pin mặt trời (PV). Các tấm PV này được sử dụng riêng lẻ, hoặc được liên kết tiếp với nhau thành một modul (tổ hợp) lớn.

Có 2 công nghệ chính về PV: tấm tinh thể silic (75%) và phin/màng mỏng (25%).

Các tế bào quang điện dùng trong công nghiệp

Các tế bào quang điện dùng cho các trạm điện mặt trời phải đáp ứng các yêu cầu sau:

1/ Độ bền vững để có thể hoạt động trong thời gian dài (25-30 năm).

2/ Được chế tạo từ nguồn nguyên liệu dễ kiếm và có khả năng chế tạo hàng loạt.

3/ Thời gian hoàn vốn của hệ thống chuyển đổi năng lượng có thể chấp nhận được.

4/ Chi phí tối thiểu (về năng lượng cũng như vật liệu có liên quan đến hệ thống chuyển đổi và truyền dẫn năng lượng, kể cả việc định hướng và ổn định trạm điện nói chung).

5/ Thuận tiện trong quá trình bảo dưỡng kỹ thuật.

Nhiều loại vật liệu không thể khai thác đủ và khó chế biến để cung cấp cho việc chế tạo tế bào quang điện. Những phương pháp cải thiện đặc tính năng lượng và đặc tính sản xuất của tế bào quang điện bằng cách tạo ra các cấu trúc bán dẫn phức tạp nhiều khi lại không phù hợp với việc tổ chức chế tạo hàng loạt và làm tăng giá thànhchế tạo tế bào quang điện.

Các vật liệu thông dụng để chế tạo các tế bào quang điện hiện nay là Si (silicium), Cu(In,Ga)Se2 và GaAs (AsenitGali), có cấu trúc là AlGaAs-GaAs.

Bắt đầu từ 2013, việc sử dụng khoáng vật peropkit (CaTiO3) thay SiO2 đã mở ra một triển vọng mới (giảm giá thành) trong ngành điện mặt trời.

Peropkit được tìm thấy từ đầu thế kỷ XIX ở vùng Ural và bắt đầu được sử dụng để chế tạo các PV từ năm 2009 rất hiệu quả.

Hiệu suất của PV

Nhờ tiến bộ kỹ thuật, hiệu suất của các PV đã tăng rất nhanh. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của PV trong điều kiện của phòng thí nghiệm đã không ngừng tăng từ 18% (năm 1970) lên tới 28,5% (đối với tinh thể silic) và 35% (đối với loại có 2 lớp là asenit gali và kháng gali).

Có hai dạng PV đang được sử dụng hiện nay: PV dạng tấm tinh thể silic chiếm tỷ trọng 75%, và PV dạng phin- 25%. PV dạng phin có độ dầy 1-2 µm có hiệu suất 16%, có giá rất thấp.

Các thông số làm việc của các dạng PV đều được tính cho nhiệt độ môi trường không khí khoảng 25oC.

Các tổn thất không thể đảo ngược (hay hiệu suất chuyển đổi năng lượng) trong các PV có liên quan đến:

1/ Sự phản xạ bức xạ mặt trời từ bề mặt của PV.

2/ Khả năng đi qua tế bào quang điện của một phần bức xạ mà không bị tế bào quang điện hấp thụ.

3/ Sự tán xạ do các giao động nhiệt của chùm các photon năng lượng dư thừa.

4/ Sự tái kết hợp của các cặp photon trên bề mặt và trong lòng của tế bào quang điện.

5/ Điện trở kháng trong của bộ chuyển đổi và một số quy trình vật lý khác.

Để giảm các dạng tổn thất người ta thường áp dụng các giải pháp sau:

1/ Sử dụng các chất bán dẫn có chiều rộng vùng cấm tối ưu đối với bức xạ mặt trời.

2/ Cải tiến tính chất của cấu trúc bán dẫn bằng cách hợp kim hóa tối ưu và tạo ra các điện trường tích hợp.

3/ Chuyển đổi cấu trúc từ đồng nhất sang không đồng nhất và pha tạp.

4/ Tối ưu hóa các thông số thiết kế của tế bào quang điện (độ sâu của mối nối p-n, chiều dày của lớp cơ sở, tần số của lưới liên lạc, v.v…).

5/ Sử dụng các lớp phủ quang học đa chức năng có khả năng tự làm sạch, tự điều chỉnh nhiệt và bảo vệ tế bào quang điện khỏi các bức xạ vũ trụ.

6/ Thiết kế các tế bào quang điện trong suốt trong vùng sóng dài của phổ mặt trời sau biên của dải hấp thụ chính.

7/ Tạo ra các tế bào quang điện kiểu xếp lớp (tầng) từ các chất bán dẫn được lựa chọn đặc biệt theo chiều rộng của vùng cấm, cho phép chuyển đổi trong mỗi tầng các bức xạ đã đi qua của tầng trước đó.

Ngoài ra, hiệu suất của tế bào quang điện cũng được nâng cao bằng cách: chế tạo các bộ chuyển đổi có độ nhạy hai mặt (đến +80% so với loại một mặt đã có); sử dụng các cấu trúc phát quang - tái phát quang; sử dụng thấu kính Frenel để tách quang phổ ban đầu của mặt trời thành 2 hoặc nhiều vùng bằng bộ chia ánh sáng nhiều lớp phim có chuyển đổi từng vùng quang phổ bằng các tế bào riêng, v.v...

Hiệu suất của điện mặt trời

Hiệu suất biến đổi từ quang năng sang điện năng của các trạm điện mặt trời chỉ đạt  trung bình khoảng 16÷20%. Hơn 80% năng lượng còn lại của mặt trời bị tiêu hao vào quá trình làm nóng pin mặt trời (PV) lên đến 55oC.

Nếu nhiệt độ của PV tăng thêm 1oC thì hiệu suất của trạm điện mặt trời giảm đi 0,5%. Mối liên quan này không tuyến tính. Nếu nhiệt độ của PV tăng thêm 10oC thì hiệu suất giảm đi 2 lần. Vì vậy, việc làm mát các PV là rất quan trọng.

Các hệ thống (thiết bị) làm mát PV bằng phương pháp cưỡng bức (như quạt gió hay bơm) thường tiêu dùng một lượng lớn điện năng, thường xuyên phải bảo dưỡng, và cũng làm ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống.

Hệ thống làm mát PV bằng phương pháp tự nhiên thường có công suất (hiệu suất) làm mát thấp và không đảm bảo được độ làm mát cần thiết.

Nhược điểm của điện mặt trời

Điện mặt trời có các nhược điểm cơ bản sau:

1/ Phụ thuộc vào thời tiết trong năm và thời gian trong ngày.

2/ Tính mùa rất rõ rệt ở những vùng có vĩ độ trung bình.

3/ Thời gian sản xuất điện không trùng với thời gian tiêu dùng điện. Đối với những vùng có vĩ độ cao không có lợi nhuận, cần phải tích điện.

4/ Trong sản xuất công nghiệp - thường phải dự phòng cho các dự án phát điện mặt trời bằng các nguồn điện truyền thống có công suất tương ứng.

5/ Chi phí chế tạo cao do phải sử dụng các nguyên tố hiếm (indi và tellu).

6/ Thường xuyên phải làm sạch bề mặt hấp thụ (của pin) hoặc phản xạ (của gương).

7/ Làm nóng không khí bên trên trạm điện.

8/ Cần nhiều diện tích đất.

9/ Việc sản xuất và sử dụng các pin mặt trời phức tạp do liên quan đến các chất độc hại có chứa trong pin như chì, cadmium, gallium, asen, v.v…

So sánh về mức độ chiếm đất bình quân của các dạng nhà máy điện như sau:

Về mức độ ảnh hưởng đến môi trường của các dạng nhà máy điện được đánh giá thông qua thang điểm phạt như sau:

Đến năm 2050, dự kiến năng lượng mặt trời sẽ chiếm tỷ trọng 20÷25% trong tiêu dùng năng lượng của loài người, tương đương với tổng sản lượng điện khoảng 9.000 TWh. Lượng điện mặt trời này sẽ làm giảm lượng phát thải khí CO2 hàng năm khoảng 6 tỷ tấn/năm.

Triển vọng của điện mặt trời

Chi phí chế tạo PV ngày càng giảm, mức độ giảm hàng năm bình quân khoảng 10-20%/năm.

Các nhà sản xuất PV lớn (công suất trên 1.000 MW/năm) trên thế giới được tổng hợp trong bảng sau:

[*] Hội đồng phản biện Tạp chí Năng lượng Việt Nam; Đại học Điện lực Hà Nội