Pin mặt trời “Lá cây”

ĐẶNG ĐÌNH THỐNG, Hiệp hội Năng lượng Việt Nam

1. Pin mặt trời vô cơ

Như đã biết, nguồn năng lượng mặt trời (NLMT) là một nguồn NL sạch, có tính tái tạo và vì vậy có thể xem là có trữ lượng khổng lồ. NLMT cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo (NLTT) khác như NL gió, thủy năng, NL sinh khối và NL sóng và nhiệt đại dương. Nhờ các đặc tính ưu việt đó nên NLMT được xem là một trong các nguồn NL quan trọng nhất của thế kỷ 21 và tương lai.

Một trong các công nghệ hiệu quả nhất để khai thác NLMT hiện nay là công nghệ quang-điện hay pin mặt trời (solar photovoltaic cells, PMT). Công nghệ này cho phép biến đổi trực tiếp NLMT thành điện năng nhờ một thiết bị chuyển đổi năng lượng gọi là PMT hoạt động dựa trên hiệu ứng quang-điện. Vật liệu chủ yếu để chế tạo PMT hiện nay vẫn là vật liệu vô cơ Silicon (Si) tinh thể. Vì vậy, PMT vô cơ dưới đây ngụ ý là PMT Si tinh thể.

Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của PMT Si tinh thể được mô tả trên hình 1.

Hình 1. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của PMT Si

a. Nguyên lý cấu tạo

Thành phần chính của PMT Si là một lớp tiếp xúc bán dẫn PN được tạo ra giữa hai phiến chất bán dẫn Si loại N, N-Si, và Si loại P, P-Si. Tại lớp tiếp xúc PN hình thành một điện trường tiếp xúc E_tx. Mặt trên của phiến N-Si được phủ một lưới điện cực bằng kim loại dẫn điện tốt và một màng chống phản xạ để làm tăng sự hấp thụ NLMT của pin. Màng kim loại điện cực thứ hai được phủ ở mặt dưới phiến P-Si. Độ dày của phiến N-Si vào khoảng 0,02 mm, phiến P-Si khoảng 0,3 - 0,5 mm.

Một tổ hợp gồm các phiến N-Si, P-Si, các màng điện cực, màng chống phản xạ ánh sáng nói trên được gọi là PMT.

b. Nguyên lý hoạt động

Khi chiếu ánh sáng mặt trời vào mặt trên của pin, do phiến N-Si rất mỏng, nên các tia mặt trời có thể xuyên sâu tới lớp tiếp xúc PN. Các nguyên tử Si hấp thụ NLMT từ các tia sáng mặt trời và tạo ra trong lớp tiếp xúc PN các cặp hạt mang điện là điện tử mang điện tích âm nguyên tố và lỗ trống được xem là mang điện tích dương nguyên tố. Do đã sẵn có điện trường tiếp xúc E_tx tại lớp PN nên ngay lập tức các điện tử và lỗ trống trong các cặp bị tách ra và bị đẩy về các phía khác nhau, điện tử bị đẩy về điện cực trên, còn lỗ trống bị đẩy về điện cực dưới (hình 1). Giữa hai điện cực trên và dưới có một hiệu điện thế. Nếu nối hai điện cực bằng dây dẫn với một bóng đèn thì sẽ có một dòng điện gọi là dòng quang-điện qua đèn và làm đèn sẽ sáng. 

Với vật liệu Si, hiệu điện thế giữa hai điện cực của pin vào khoảng 0,5 - 0,6V, trong khi đó cường độ dòng điện-quang điện hay công suất điện ở mạch ngoài của pin thì thay đổi tỷ lệ với cường độ ánh sáng chiếu vào pin và diện tích mặt pin được chiếu sáng. Cường độ ánh sáng mặt trời chiếu vào pin càng mạnh, diện tích được chiếu sáng của pin càng lớn thì dòng quang-điện và công suất pin phát ra càng lớn. Nếu chiếu sáng pin với cường độ sáng E_o = 1000W/m² và ở nhiệt độ T_o = 25^oC thì PMT Si sẽ phát ra dòng điện mạch ngoài I = (2,5 ¸ 3,0) Ampe/dm².

Do hiệu điện thế trên mỗi PMT Si chỉ khoảng 0,5 - 0,6V nên trong các ứng dụng thực tế người ta ghép nối nhiều PMT với nhau tạo ra mô-đun PMT để có hiệu điện thế và công suất điện lớn hơn. Ngoài ra, sự tạo ra mô-đun còn giúp cho việc vận chuyển và lắp đặt dễ dàng và thuận lợi hơn.

Hiện nay hiệu suất phổ biến của PMT Si tinh thể vào khoảng (13 ¸ 16)%.

c. Ưu nhược điểm của PMT Si

Ưu điểm của công nghệ PMT Si là vật liệu sản xuất pin (Si) là cát thạch anh sẵn có ở mọi nơi, công nghệ chế tạo Si tinh thể cũng như các công nghệ phụ khác để sản xuất PMT đã đạt được trình độ khá hoàn thiện. Chính vì vậy mà giá PMT và do đó giá điện mặt trời cũng đã giảm khá nhanh. Hiện nay, giá điện năng từ công nghệ quang-điện trung bình chỉ ở trong khoảng 10 ¸ 15 Uscents/kWh.

Nhược điểm lớn nhất của công nghệ PMT là tiêu tốn khá nhiều vật liệu Si tinh khiết. Mà như đã biết, để tạo ra được Si tinh khiết lại phải tiêu tốn rất nhiều năng lượng và do đó gây ra ô nhiễm môi trường.  

Chính vì vậy mà gần đây các nhà khoa học đã nghiên cứu, phát triển và ứng dụng một loại PMT mới gọi là PMT hữu cơ hay PMT lá cây để giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

2. Cơ chế hấp thụ NLMT để tạo ra các hạt mang điện và chất hữu cơ trong lá cây

a. Phản ứng quang hợp trong lá cây

Có thể nói, cây xanh là một “nhà máy sản xuất năng lượng tự nhiên” phức tạp nhưng hoàn hảo để thu NLMT và chuyển đổi thành hóa năng tích trữ trong cây nhờ các phản ứng quang hợp. Các “nguyên liệu” chính của “nhà máy cây xanh” gồm NLMT, nước (H₂O), khí Các-bô nic (CO­₂) và các khoáng chất có trong đất. Thông qua các phản ứng quang hợp, chủ yếu xảy ra trên các lá cây, mà cây cối đã chuyển đổi NLMT và các “nguyên liệu” khác thành các sản phẩm giàu năng lượng như đường gluco (C₆H₁₂O₆) và khí Oxi (O₂). Bộ phận chính trong cây  thực hiện phản ứng quang hợp và các sản phẩm của nó là chất diệp lục (chlorophyll) và một vài sắc tố khác - dưới đây gọi chung là chất nhạy màu - tập trung ở các lá cây. Chất nhạy màu phân bố ở giữa hai lớp biểu bì trên và dưới của lá. Phần này còn gọi là thịt lá chứa các tế bào nhu mô chứa lục lạp còn gọi là lục mô, nơi đây diễn ra hầu hết quá trình quang hợp của cây. 

Phản ứng xảy ra trong quá trình quang hợp ở lá cây là một chuỗi phản ứng rất phức tạp, nhưng có thể viết tóm tắt như sau:

CO₂ + H₂O + NLMT → C₆H₁₂O₆ + O₂ + H₂O

Có thể nói rằng, nhờ quá trình quang hợp ở cây xanh mà sự sống trên hành tinh này mới tồn tại và phát triển. Tất cả động vật trên Trái đất này đều lấy thức ăn từ cây xanh một cách trực tiếp hay gián tiếp và hô hấp nhờ có oxy.

b. Cơ chế tạo ra các hạt mang điện trong phản ứng quang hợp 

Ánh sáng mặt trời gồm các phần tử năng lượng rất nhỏ gọi là photon. Mỗi photon mang một năng lượng xác định phụ thuộc vào màu sắc của ánh sáng ứng với photon đó. Dưới ánh sáng mặt trời các phân tử chất nhạy màu trong lá cây hấp thụ năng lượng của photon và chuyển sang trạng thái năng lượng cao, gọi là trạng thái kích thích, và giải phóng ra các điện tử và lỗ trống. Nhờ các điện tử được giải phóng này chuyển động tới các phân tử chất khác trong lá cây mà tạo ra các sản phẩm là các chất cơ sở để cây tổng hợp đường gluco và oxi.

Các nhà khoa học đã nghiên cứu và “bắt chước” cách mà lá cây thu NLMT và kích thích các phân tử chất nhạy màu, tạo ra các hạt mang điện tự do và từ đó có thể sản xuất điện năng.

3. Pin mặt trời lá cây

PMT lá cây là một trong vài loại PMT hữu cơ đang được quan tâm phát triển hiện nay.

Như đã nói ở trên, trong quá trình quang hợp, các phân tử chất nhạy màu hấp thụ NLMT, chuyển lên trạng thái kích thích và tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống liên kết rất yếu với nhau và do đó dễ dàng trở thành các hạt tải điện tự do. Nếu bằng một cách nào đó, tách các điện tử ra và điều khiển chúng chuyển động có hướng thì sẽ tạo ra dòng điện. Và như vậy đã có thể biến đổi NLMT thành điện năng.

a. Nguyên lý cấu tạo của pin mặt trời lá cây

Như cho thấy trên hình 2, pin gồm hai điện cực trong suốt TCO (Transparent Conducting Oxide). Mặt trong của một điện cực (trên hình 2 là điện cực trái) phủ một lớp Titan dioxide (TiO₂)  có chức năng hấp thụ ánh sáng và tiếp nhận điện tử. Chất nhạy màu, có thể chiết suất từ lá cây tự nhiên hay được tổng hợp nhân tạo, được gắn vào bề mặt TiO₂. Tiếp đến là một dung dịch điện ly có chứa cặp chất oxi hóa - khử là các ion Iodide I₃^- và I^- có nhiệm vụ hoàn trả lại điện tử cho chất nhạy màu. Điện cực còn lại (cực dương) được phủ một lớp Platin (Pt)  làm chất xúc tác cho các phản ứng oxi hóa - khử giữa các Ion I₃^-  và I^-.

b. Nguyên lý hoạt động của pin

Tia mặt trời chiếu xuyên qua điện cực âm (bên trái) tới phân tử chất nhạy màu đang ở trạng thái năng lượng thấp HOMO (Highest Occupied Molecular Opital). Phân tử này hấp thụ NLMT, bị kích thích và giải phóng một điện tử ở trạng thái năng lượng cao LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Opital) và để lại một lỗ trống ở HOMO như mô tả trên hình 3. Vì các trạng thái năng lượng vùng dẫn của TiO₂ nằm ngay sát phía dưới LUMO nên điện tử vừa được giải phóng ở trạng thái LUMO dễ dàng chuyển vào vùng dẫn điện của TiO₂ và khuếch tán tới điện cực âm của pin. Tiếp đó điện tử chạy qua dây dẫn mạch ngoài, qua bóng đèn và đến cực dương. Khi điện tử đến điện cực dương, nhờ chất xúc tác Platin Pt, Ion I₃^- kết hợp với điện tử (e^-) vừa chuyển sang để tạo ra Ion I^- theo sơ đồ I₃^- + 2e^- → I^-. Sau đó Ion I^- trả lại cho trạng thái HOMO của chất nhạy màu một điện tử theo sơ đồ I^-  → 2 e^- + I₃^- (hình 2). Như vậy, điện tử đã đi được một vòng kín trong pin và tạo ra điện năng ở mạch ngoài làm bóng đèn sáng. Dòng điện cứ tiếp tục như vây chừng nào còn có ánh sáng mặt trời chiếu tới chất nhạy màu. Như vậy là PMT lá cây cũng có thể thu và biến đổi NLMT thành điện năng như PMT Si.  

Hiện nay PMT lá cây vẫn còn ở giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm và hoàn thiện nhằm nâng cao hơn nữa hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Hiệu suất cao nhất đã đạt được là 11%.

c. Ưu nhược điểm của PMT lá cây

Các ưu điểm nổi bật của PMT lá cây bao gồm:

(1) PMT lá cây mô phỏng theo các quá trình của tự nhiên để khai thác NLMT và chuyển đổi thành điện năng. Vì vậy, quá trình sản xuất năng lượng này là thân thiện với môi trường.

(2) So với các PMT vô cơ màng mỏng khác có hiệu suất từ 5% đến 13% thì PMT lá cây có hiệu suất khá cao (hiện nay đã đạt 11% và chắc chắn sẽ còn đạt hơn nữa khi công nghệ hoàn thiện).

(3) Trong PMT lá cây, điện tử được sinh ra khi chất nhạy màu hấp thụ NLMT được chuyển ngay sang vùng dẫn của TiO₂ mà không tạo ra lỗ trống trong TiO₂ nên xác suất tái hợp rất nhỏ so với PMT Si và vì vậy, hiệu suất thu NLMT hứa hẹn có thể cao hơn PMT Si. Ngoài ra, PMT lá cây còn có thể sản xuất điện năng với hiệu suất cao hơn so với PMT Si trong điều kiện chỉ có ánh sáng tán xạ như ánh sáng ở trong nhà hoặc trong các ngày trời mây mù.

Hình 2. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của PMT lá cây (theenergycollective.com)

Nhược điểm lớn nhất của PMT lá cây là sử dụng dung dịch điện ly lỏng và phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ cao, dung dịch dãn nở dễ gây ra dò rỉ. Còn khi nhiệt độ xuống thấp, dung dịch bị đông đặc lại hay đóng băng làm cho pin hoạt động khó khăn, thậm chí không hoạt động được. Vì nhược điểm cơ bản này mà hiện nay các nhà khoa học đang nghiên cứu tìm các dung dịch điện ly rắn hay ở dạng keo đặc để thay thế dung dịch lỏng.

4. Kết luận

Mặc dù còn một số vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu giải quyết, nhưng PMT lá cây hứa hẹn sẽ là một thiết bị khai thác NLMT rất hiệu quả để sản xuất năng lượng và đặc biệt là thân thiện với môi trường, phù hợp với xu thế phát triển năng lượng sạch, góp phần giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu trên hành tinh chúng ta.

Hình 3. Sơ đồ các mức năng lượng của các hoạt chất trong  PMT lá cây và các chuyển mức năng lượng khi pin hoạt động.

Tài liệu tham khảo

1. Dye sensitized solar cells, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews; Volume 4, Issue 2, 31 October 2003, Pages 145–153.

2. How to Build & Use A Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) + A Discussion on Energy & Efficiency; www.instructables.com/id/How-to-Build-Use-A-Dye-Sensitized-Solar-Cell-DS/)

NangluongVietnam Online