Hệ thống điện 24/7

Các dàn pin mặt trời silic đầu tiên cho mục đích năng lượng được sử dụng không phải trên Trái Đất mà ở trong không gian vũ trụ gần Trái Đất.

Mọi người đều biết rằng năng lượng mặt trời có thể biến thành điện năng nhờ các bộ biến đổi quang thuộc hai loại: Loại quang điện thực hiện theo hiệu ứng photovoltaic (quang điện) và loại bức xạ quang (photoemission), trong đó vật liệu khi được tia mặt trời chiếu vào sẽ phát ra các điện tử, những điện tử này bị vật dẫn đặt gần bề mặt của cực phát giành lấy. Tuy nhiên chỉ có loại thứ nhất được sử dụng trong thực tế do hiệu suất cao hơn đáng kể. Yếu tố quyết định của phương hướng này là chế tạo pin quang điện silic có tiếp giáp p-n, đạt hiệu suất gần 6%. Các dàn pin mặt trời silic đầu tiên cho mục đích năng lượng được sử dụng không phải trên Trái Đất mà ở trong không gian vũ trụ gần Trái Đất. Năm 1958, các vệ tinh nhân tạo của Trái đất được trang bị những dàn pin mặt trời như vậy, đó là “Sputnik-3” của Liên Xô và “Vanguard-1” của Mỹ.

Vào đầu những năm 1960, người ta đã chế tạo được pin quang điện mặt trời đầu tiên với tiếp giáp p-n trên cơ sở chất arsenua gali. Thời đó, các pin quang điện này có hiệu suất thấp hơn so với các pin quang điện silic nhưng lại có khả năng hoạt động khi bị nung nóng đáng kể.

Ứng dụng thực tế đầu tiên của các dàn pin mặt trời hoàn chỉnh trên cơ sở arsenua gali cho mục đích năng lượng gắn liền với việc cung cấp điện cho thiết bị vũ trụ Xô-Viết, làm việc ở gần Sao Kim (năm 1965) và các thiết bị tự hành trên mặt trăng “Lunokhôt - 1” và “Lunokhôt - 2” nghiên cứu bề mặt Mặt Trăng.

Một trang sử mới trong ngành quang điện mặt trời được mở ra với việc chế tạo pin mặt trời trên cơ sở các cấu trúc khác loại AlGaAs-GaAs. Bởi vì pin quang điện cấu trúc khác loại đó có khả năng chịu bức xạ cao hơn nên chúng nhanh chóng được sử dụng trong kỹ thuật vũ trụ mặc dầu giá thành cao hơn so với pin quang điện silic. Thí dụ về việc sử dụng quy mô lớn cho mục đích năng lượng đối với các dàn pin mặt trời trên cơ sở cấu trúc khác loại AlGaAs-GaAs là việc trang bị chúng cho trạm quỹ đạo “Hòa Bình” của Liên Xô cũ.

Silic cũng như arsenua gali nói chung đều thỏa mãn các điều kiện “lý tưởng” của vật liệu bán dẫn. So sánh các vật liệu đó với nhau về tính thích hợp đối với việc chế tạo pin mặt trời một tiếp giáp p-n người ta thấy rằng hiệu suất giới hạn có thể đạt được của chúng về biến đổi điện quang là gần như nhau và đồng thời gần với hiệu suất cực đại tuyệt đối (nhiệt động) đối với pin quang điện một tiếp giáp.

Đương nhiên, silic có những ưu việt rõ nét, đó là sẵn có trong thiên nhiên, không độc hại và tương đối rẻ. Thực tế đó, cộng với việc triển khai rộng rãi ngành công nghiệp chế tạo các dụng cụ bán dẫn khiến cho pin quang điện silic có tầm quan trọng đặc biệt đối với ngành năng lượng mặt trời mới ra đời. Mặc dầu đã nhiều nỗ lực đáng kể dành cho việc phát triển các loại dàn pin mặt trời khác nhau kiểu màng mỏng, nhưng cho đến ngày nay silic tinh thể (kiểu đơn tinh tể và đa tinh thể) vẫn đang đóng vai trò chủ yếu trong ngành chế tạo các dàn pin mặt trời sử dụng trên mặt đất.

Thời kỳ trước giữa những năm 1980, việc hoàn thiện pin mặt trời trên cơ sở silic cũng như arsenua gali đã được thực hiện với những cấu trúc tương đối đơn giản và những công nghệ đơn giản. Nhưng từ giữa những năm 80, “công nghệ cao” bắt đầu thâm nhập vào lĩnh vực năng lượng quang điện mặt trời sử dụng bán dẫn. Những cấu trúc phức tạp của pin quang điện trên cơ sở silic đã được đề xuất, cho phép giảm tổn thất, bao gồm tổn thất quang học cũng như tổn thất kết hợp lại (recombination), đồng thời cũng đã thực hiện những biện pháp cải thiện chất lượng bản thân vật liệu cơ sở (nền).

Kết quả là đã đạt được bước nhảy vọt về hiệu suất biến đổi quang điện trong các pin silic. Hiệu suất được chứng minh trên các mẫu phòng thí nghiệm rất gần với giới hạn lý thuyết. Cụ thể là trong điều kiện chiếu bằng tia mặt trời tập trung với phổ AM1.5 (phổ mặt trời tiêu chuẩn, tương ứng với bức xạ mặt trời ở vĩ tuyến 45o) đã đạt được trị số hiệu suất kỷ lục bằng 27,6% đối với pin quang điện với một tiếp giáp p-n.

Đáng tiếc là giá của pin quang điện “hiệu suất cao” cao gấp nhiều lần so với pin quang điện “thông thường”.

Ngay từ những năm 1960 đã có ý tưởng chế tạo các pin quang điện nhiều tầng để nâng cao hiệu suất biến đổi quang điện. Vào cuối những năm 1980 đã xuất hiện nhiều loại pin mặt trời hai tầng ghép nối kiểu cơ khí, chúng có hiệu suất cao hơn một chút so với các pin quang điện một tiếp giáp p-n. Người ta bắt đầu hiểu rằng pin quang điện nhiều tầng với cấu trúc đơn nhất thực tế sẽ có hiệu suất cao hơn.

Những cấu trúc đầu tiên đơn nhất (monolithic) được nghiên cứu triển khai tại Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia Mỹ (National Renewable Energy Laboratory - NREL). Sử dụng nền màng mỏng giécmani (Ge), người ta đã nuôi các mạng cấu trúc nhiều lớp được thích ứng theo chu kỳ mạng kết cấu, trong đó pin quang điện bên trên có tiếp giáp p-n trong dung dịch rắn In0,5, Ga0,5 P, còn pin quang điện bên dưới có tiếp giáp p-n trong dung dịch rắn GaAs. Việc nối tiếp các pin quang điện được thực hiện bằng tiếp giáp đường hầm p-n được hình thành một cách đặc biệt giữa các tầng. Tiếp vào quá trình biến đổi quang điện người ta còn nối mạch cả tầng ba với tiếp giáp p-n trên nền màng mỏng giécmani.

Ngày nay (xem Bảng), pin quang điện ba tầng đang trong giai đoạn sử dụng thực tế khi trang bị các thiết bị vũ trụ.

Kinh nghiệm nghiên cứu triển khai pin quang điện ba tầng cho phép hy vọng đạt được trị số hiệu suất cao trong những cấu trúc bốn hoặc năm tầng và có thể là nhiều tầng hơn nữa. Trên lý thuyết, không có cơ sở để nghi ngờ những hy vọng đó nếu như tìm được vật liệu phù hợp cho các tầng trung gian và làm ra các vật liệu đó với chất lượng thích đáng. Việc tìm kiếm các vật liệu đó đang tiến hành và khá thành công.

Kinh nghiệm trước đây cho thấy mọi thành tựu trong việc nâng cao hiệu suất của pin quang điện đều được ứng dụng trước tiên trong kỹ thuật vũ trụ. Cũng có thể đưa ra kết luận tương tự khi đánh giá quy mô các nhiệm vụ đặt ra cho kỹ thuật vũ trụ mới. Nhu cầu rất lớn về các vệ tinh viễn thông đang thúc đẩy sự gia tăng các yêu cầu về cung cấp năng lượng cho các trạm có người bay trên quỹ đạo, do đó cần phải chế tạo các vệ tinh năng lượng chuyên dùng đủ khả năng cung cấp năng lượng cho các phương tiện vận tải vũ trụ. Chẳng hạn như trên các vệ tinh năng lượng thì năng lượng mặt trời được biến đổi thành điện năng, còn điện năng thành năng lượng bức xạ để truyền năng lượng bằng tia laser hoặc tia tần số siêu cao.

Dù thế nào đi chăng nữa, việc mở rộng sản xuất pin quang điện cho vũ trụ cũng sẽ đồng thời cho phép thành lập cơ sở công nghệ cho việc sản xuất trên quy mô lớn pin quang điện sử dụng trên mặt đất.

Cũng còn một khả năng nữa để tăng hiệu suất biến đổi quang điện. Đó là việc chuyển sang biến đổi bức xạ mặt trời tập trung sơ bộ. Bội số tính toán giới hạn của việc tập trung bức xạ ở khoảng cách tính từ mặt trời tương ứng với quỹ đạo Trái Đất là 46.200. Cũng chính bội số tập trung đó thường đặt ra khi đánh giá hiệu suất giới hạn của các loại pin mặt trời khác nhau, theo quan điểm nhiệt động học. Chẳng hạn như đối với pin quang điện nhiều tiếp giáp bao gồm vài chục tầng thì hiệu suất giới hạn rất gần với hiệu suất của chu trình Carnot, xấp xỉ bằng 87%. Vì vậy pin quang điện nhiều tiếp giáp không chỉ có hiệu suất cao nhất hiện nay mà triển vọng nâng cao hiệu suất, trước mắt và trong tương lai xa là có cơ sở khoa học.

Từ đầu những năm 1990, trong thực tiễn chế tạo các hệ thống tập trung bức xạ mặt trời đã xuất hiện phương hướng mới, dựa trên khái niệm môđun kích thước nhỏ. Mọi tiền đề đảm bảo biến đổi quang điện với hiệu suất cao và khả thi về kinh tế đều có sẵn. Khi giảm kích thước thẳng của bộ tập trung bức xạ mặt trời và giữ nguyên tỉ số cho trước giữa kích thước lỗ và tiêu cự thì giá trị của bội số tập trung bức xạ là không đổi. Tuy nhiên trong trường hợp này, chiều cao của kết cấu môđun giảm đi do tiêu cự của các thấu kính ngắn hơn. Kích thước thẳng của pin quang điện được thu nhỏ xuống còn 1 - 2 mm (Hình 1) nhờ đó việc lắp ráp chúng có thể thực hiện bằng thiết bị tự động sử dụng trong lắp ráp các linh kiện khi sản xuất hàng loạt trong ngành công nghiệp điện tử. Với kích thước thẳng nhỏ của các pin quang điện, có thể giảm chiều dày của nền màng mỏng để nuôi các cấu trúc, mà tỉ lệ diện tích hữu dụng tăng lên (ngoài yếu tố tập trung năng lượng bức xạ) sẽ cho phép tiết kiệm thêm vật liệu bán dẫn.

Thiết bị biến đổi cần được bảo vệ chống tác động của khí quyển nhằm đảm bảo tuổi thọ lâu dài (trong suốt 20 - 30 năm). Về phương diện này, cấu trúc đầy hứa hẹn là các môđun tập trung bức xạ “hoàn toàn bằng thủy tinh” (Hình 2 và 3). Các thấu kính Fresnel kích thước nhỏ ở đây được tích hợp vào giá lắp liên kết. Pin quang điện tập trung bức xạ cũng được tích hợp vào giá đỡ và được lắp trên các phần tử kim loại mỏng dẫn nhiệt tốt (dày 0,5 mm). Cả hai giá đỡ này được cố định bằng các vách bên sườn bằng thủy tinh do đó thể tích bên trong của môđun được làm kín. Giá đỡ thấu kính có kết cấu composit. Ở đây, tấm kính mỏng silicat thông thường bảo vệ môđun từ phía mặt trước và làm nền cho tấm mỏng silicon trong suốt và đặt ở phía trong của kính profin kiểu Fresnel điều tiêu ánh sáng mặt trời. Nền của giá đỡ pin quang điện cũng làm bằng kính silicat tấm mỏng qua đó nhiệt được thải ra ngoài.

Vì vậy, thủy tinh rẻ tiền và có đặc tính ổn định trở thành vật liệu cấu trúc chủ yếu của môđun tập trung bức xạ. Trường hợp này, tiêu hao silicon chất lượng quang học được giảm xuống mức tối thiểu, chỉ để chế tạo các lăng kính khúc xạ rất nhỏ (chiều dày trung bình gần 0,2 mm). Để gắn kết và làm kín các phần bằng thủy tinh của môđun, người ta sử dụng silicon xây dựng thông thường (hình 3). Nhờ sử dụng các vật liệu tốt nhất chịu bức xạ và tác động của khí quyển (thủy tinh và silicon), các môđun tập trung bức xạ đó rất có triển vọng để hoạt động lâu dài.

Trong điều kiện rọi bức xạ mặt trời tập trung, sử dụng pin quang điện nhiều tiếp giáp cũng có nhiều ưu việt khác. Nếu tăng số tầng lên, điện áp đầu ra tăng, còn quang thông giảm đi. Nhờ đó giảm được tổn thất thuần trở bên trong khi tập trung dòng điện, do đó duy trì được hiệu suất cao trong điều kiện bội số tập trung bức xạ cao.