Sản xuất tế bào quang điện cho tấm pin năng lượng mặt trời

Cơ sở của bất kỳ cài đặt quang điện nào luôn là mô-đun quang điện. Một mô-đun quang điện là sự kết hợp của các tế bào quang điện được kết nối điện với nhau. Thuật ngữ quang điện bao gồm hai từ «photo» (từ tiếng Hy Lạp. Ánh sáng) và «volt» (Alessandro Volta - 1745-1827, nhà vật lý người Ý) - đơn vị đo hiệu điện thế trong kỹ thuật điện. Phân tích thuật ngữ quang điện, chúng ta có thể nói - đó là chuyển đổi ánh sáng thành điện năng.

Một tế bào quang điện (pin mặt trời) được sử dụng để tạo ra điện bằng cách chuyển đổi bức xạ mặt trời. Một tế bào quang điện có thể được coi là một đi-ốt được tạo thành từ các chất bán dẫn loại n và loại p với vùng suy giảm sóng mang được hình thành, do đó, một tế bào quang điện không được chiếu sáng giống như một đi-ốt và có thể được mô tả là một đi-ốt.

Đối với chất bán dẫn có chiều rộng từ 1 đến 3 eV, hiệu suất lý thuyết tối đa có thể đạt tới 30%. Khoảng cách vùng cấm là năng lượng photon tối thiểu có thể nâng một electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Các tế bào năng lượng mặt trời thương mại phổ biến nhất là yếu tố đá lửa.

Silic đơn tinh thể và đa tinh thể. Silicon ngày nay là một trong những nguyên tố phổ biến nhất để sản xuất các mô-đun quang điện. Tuy nhiên, do khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời thấp nên pin mặt trời tinh thể silicon thường được làm rộng 300 µm. Hiệu suất của tế bào quang điện đơn tinh thể silicon đạt 17%.

Nếu chúng ta lấy một tế bào quang điện silicon đa tinh thể, thì hiệu suất của nó thấp hơn 5% so với hiệu suất của silicon đơn tinh thể. Ranh giới hạt của đa tinh thể là tâm tái hợp của các hạt mang điện. Kích thước của tinh thể silicon đa tinh thể có thể thay đổi từ vài mm đến một cm.

Gali arsenua (GaAs). Pin mặt trời gali arsenua đã chứng minh hiệu suất 25% trong điều kiện phòng thí nghiệm. Gallium arsenide, được phát triển cho quang điện tử, rất khó sản xuất với số lượng lớn và khá đắt đối với pin mặt trời. Pin mặt trời gali arsenua được ứng dụng cùng với các bộ tập trung năng lượng mặt trời, cũng như cho ngành du hành vũ trụ.

Công nghệ tế bào quang điện màng mỏng. Nhược điểm chính của tế bào silicon là giá thành cao. Có sẵn các tế bào màng mỏng làm từ silicon vô định hình (a-Si), cadmium Telluride (CdTe) hoặc đồng-indium diselinide (CuInSe2). Ưu điểm của pin mặt trời màng mỏng là tiết kiệm nguyên liệu và giá thành sản xuất rẻ hơn so với pin mặt trời silicon. Do đó, chúng ta có thể nói rằng các sản phẩm màng mỏng có triển vọng sử dụng trong tế bào quang điện.

Nhược điểm là một số vật liệu khá độc hại, vì vậy an toàn sản phẩm và tái chế đóng một vai trò quan trọng. Ngoài ra, Telluride là một nguồn tài nguyên đang cạn kiệt so với silicon.Hiệu suất của tế bào quang điện màng mỏng đạt 11% (CuInSe2).

Vào đầu những năm 1960, pin mặt trời có giá khoảng 1.000 USD/W công suất cực đại và hầu hết được sản xuất trong không gian. Vào những năm 1970, việc sản xuất hàng loạt tế bào quang điện bắt đầu và giá của chúng giảm xuống còn 100 đô la/W. Sự tiến bộ hơn nữa và việc giảm giá tế bào quang điện khiến việc sử dụng tế bào quang điện cho nhu cầu gia đình trở nên khả thi, đặc biệt là đối với một bộ phận dân cư sống xa đường dây điện và nguồn cung cấp năng lượng tiêu chuẩn, các mô-đun quang điện đã trở thành một giải pháp thay thế tốt.

Bức ảnh cho thấy pin mặt trời dựa trên silicon đầu tiên. Nó được tạo ra bởi các nhà khoa học và kỹ sư của công ty Bell Laboratories của Mỹ vào năm 1956. Pin mặt trời là sự kết hợp của các mô-đun quang điện được kết nối điện với nhau. Sự kết hợp được chọn tùy thuộc vào các thông số điện cần thiết như dòng điện và điện áp. Một tế bào của pin năng lượng mặt trời như vậy, sản xuất ít hơn 1 watt điện, có giá 250 đô la. Điện được sản xuất đắt gấp 100 lần so với điện từ lưới điện thông thường.

Trong gần 20 năm, các tấm pin mặt trời chỉ được sử dụng cho không gian. Năm 1977, chi phí điện đã giảm xuống còn 76 đô la cho mỗi tế bào watt. Hiệu quả tăng dần: 15% vào giữa những năm 1990 và 20% vào năm 2000. Dữ liệu phù hợp nhất hiện tại về chủ đề này —Hiệu quả của pin mặt trời và mô-đun

Việc sản xuất pin mặt trời silicon có thể được chia thành ba giai đoạn chính:

• sản xuất silicon có độ tinh khiết cao;

• làm vòng đệm silicon mỏng;

• lắp đặt tế bào quang điện.

Nguyên liệu chính để sản xuất silic có độ tinh khiết cao là cát thạch anh (SiO2)2). Sự tan chảy thu được bằng cách điện phân luyện kim silicontrong đó có độ tinh khiết lên tới 98%. Quá trình thu hồi silicon diễn ra khi cát tương tác với carbon ở nhiệt độ cao 1800°C:

Mức độ tinh khiết này không đủ để sản xuất tế bào quang điện, vì vậy nó phải được xử lý thêm. Việc tinh chế thêm silicon cho ngành công nghiệp bán dẫn được thực hiện trên thực tế trên toàn thế giới bằng công nghệ do Siemens phát triển.

«Quy trình Siemens» là quá trình tinh chế silic bằng phản ứng của silic luyện kim với axit clohydric, tạo ra trichlorosilane (SiHCl3):

Trichlorosilane (SiHCl3) ở pha lỏng nên dễ dàng tách khỏi hydro. Ngoài ra, việc chưng cất nhiều lần trichlorosilane làm tăng độ tinh khiết của nó lên 10-10%.

Quy trình tiếp theo — nhiệt phân trichlorosilane tinh khiết — được sử dụng để sản xuất silicon đa tinh thể có độ tinh khiết cao. Silic đa tinh thể thu được không hoàn toàn đáp ứng các điều kiện để sử dụng trong ngành bán dẫn, nhưng đối với ngành quang điện mặt trời, chất lượng của vật liệu là đủ.

Silic đa tinh thể là nguyên liệu thô để sản xuất silicon đơn tinh thể. Hai phương pháp được sử dụng để sản xuất silicon đơn tinh thể - phương pháp Czochralski và phương pháp nóng chảy vùng.

Phương pháp Czochralski là năng lượng thâm dụng cũng như vật chất thâm dụng. Một lượng tương đối nhỏ silicon đa tinh thể được nạp vào nồi nấu kim loại và nóng chảy trong chân không.Một hạt nhỏ của monosilicon rơi xuống bề mặt của khối nóng chảy và sau đó, xoắn lại, bay lên, kéo thỏi hình trụ ra sau nó do lực căng bề mặt.

Hiện tại, đường kính của các thỏi được vẽ lên tới 300 mm. Chiều dài của thỏi có đường kính 100-150 mm đạt 75-100 cm, cấu trúc tinh thể của thỏi thon dài lặp lại cấu trúc đơn tinh thể của hạt. Việc tăng đường kính và chiều dài của phôi, cũng như cải thiện công nghệ cắt của nó, sẽ làm giảm lượng chất thải, do đó giảm chi phí của các tế bào quang điện thu được.

Công nghệ dây đai. Quy trình công nghệ do Tập đoàn năng lượng mặt trời Mobil phát triển dựa trên việc kéo các dải silicon từ sự tan chảy và tạo thành pin mặt trời trên chúng. Ma trận được ngâm một phần trong chất tan chảy silicon và do hiệu ứng mao dẫn, silicon đa tinh thể nổi lên, tạo thành một dải băng.Chất tan chảy kết tinh và được loại bỏ khỏi chất nền. Để tăng năng suất, thiết bị được thiết kế có thể nhận tới chín dây đai cùng một lúc. Kết quả là một lăng kính chín mặt.

Ưu điểm của dây đai là chúng có chi phí thấp do thực tế là quá trình cắt phôi được loại trừ. Ngoài ra, có thể dễ dàng thu được các tế bào quang điện hình chữ nhật, trong khi hình dạng tròn của các tấm đơn tinh thể không góp phần vào vị trí tốt của tế bào quang điện trong mô-đun quang điện.

Các thanh silicon đa tinh thể hoặc đơn tinh thể thu được sau đó phải được cắt thành các tấm mỏng dày 0,2-0,4 mm. Khi cắt một thanh silicon đơn tinh thể, khoảng 50% vật liệu bị mất do hao hụt.Ngoài ra, vòng đệm tròn không phải lúc nào cũng được, nhưng thường được cắt để tạo thành hình vuông.