Tấm pin quang điện là một trong những thành phần quan trọng nhất của mọi hệ thống điện mặt trời. Chức năng chính của nó là thực hiện quá trình chuyển đổi nguồn năng lượng: hấp thụ trực tiếp ánh sáng mặt trời và chuyển hóa thành điện năng để cung cấp cho toàn bộ hệ thống điện hoặc các thiết bị sử dụng công nghệ điện mặt trời. Hãy cùng tìm hiểu quy trình sản xuất pin năng lượng mặt trời qua bài viết sau của KITAWA.
Nguyên vật liệu làm pin mặt trời
Tấm pin mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện, trực tiếp chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng. Cấu tạo cơ bản của pin là các tế bào silicon.
Silicon là một chất bán dẫn quan trọng. Khi các photon từ ánh sáng mặt trời chiếu vào, silicon sẽ hấp thụ năng lượng này để kích thích các electron nhảy lên mức năng lượng cao hơn. Sự dịch chuyển của các electron này tạo ra dòng điện trong hệ thống.
Silicon không tồn tại ở dạng tự nhiên mà chủ yếu ở dạng hợp chất thể rắn, phổ biến nhất là silicon dioxide (ví dụ: đá thạch anh, silica). Để sản xuất pin, nguyên liệu thô (silicon dioxide) được tinh chế qua quá trình đốt để thu được silicon nguyên chất làm vật liệu cho các tế bào pin.
Silicon nguyên chất tồn tại dưới ba dạng: đơn tinh thể, đa tinh thể, và vô định hình. Việc kết hợp các dạng silicon này với 5 lớp vật liệu khác nhau tạo ra 3 loại pin NLMT chính:
-
Pin mặt trời đơn tinh thể
-
Pin mặt trời đa tinh thể
-
Pin mặt trời dải silic
Quy trình sản xuất pin năng lượng mặt trời
Quy trình sản xuất tế bào quang điện (solar cell) từ silicon thô diễn ra qua nhiều bước nghiêm ngặt:
Bước 1: Làm sạch Silicon thô
Nguyên liệu thô ban đầu được đưa vào lò nung quang điện hồ quang (sử dụng carbon hồ quang để khử oxy), tạo ra silicon nóng chảy và carbon dioxide. Silicon thu được lúc này chỉ đạt khoảng 99% độ tinh khiết (còn 1% tạp chất), chưa đủ tiêu chuẩn sản xuất.
Phần silicon 99% này tiếp tục được tinh chế bằng kỹ thuật Floating Zone (Làm sạch vùng nổi). Thanh silicon chưa tinh khiết được truyền qua vùng gia nhiệt nhiều lần theo cùng một hướng. Mỗi lần đi qua, tạp chất sẽ bị kéo dồn về một đầu. Khi silicon đạt độ tinh khiết cao nhất, phần đầu chứa tạp chất sẽ bị loại bỏ.
Bước 2: Tạo silicon đơn tinh thể
Các tế bào quang điện thường được làm từ các thỏi silicon hình trụ có cấu trúc đơn tinh thể, tạo ra bằng quy trình Czochralski. Trong quy trình này, một hạt mầm đơn tinh thể được nhúng vào silicon đa tinh thể nóng chảy.
Khi hạt mầm được rút lên và quay tròn, nó tạo thành một khối hình trụ lớn, gọi là boule. Độ tinh khiết của boule cần được kiểm tra vì vẫn có khả năng còn tạp chất trong chất lỏng.
Bước 3: Cắt lát bán dẫn (Wafer)
Từ phôi hình trụ (boule), người ta dùng cưa tròn đường kính trong hoặc cưa đa dây kim cương để cắt thành các tấm bán dẫn silicon (wafer). Việc cắt lát gây ra sự hao hụt silicon đáng kể (khoảng một nửa phôi bị mất).
Các tấm bán dẫn hình tròn có thể được cắt thành hình chữ nhật hoặc lục giác để lắp khít nhau hơn, tối ưu hóa không gian trên bề mặt pin. Ban đầu, các tấm bán dẫn được đánh bóng để loại bỏ vết cưa. Tuy nhiên, hiện nay nhiều nhà sản xuất đã bỏ qua bước này vì các bề mặt thô ráp được chứng minh là hấp thụ ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn.
Bước 4: Pha tạp chất (Doping)
Silicon tinh khiết được pha tạp với các nguyên tố như phốt pho và boron để tạo ra hai vùng bán dẫn: Vùng có electron dư thừa (dẫn điện tốt) và Vùng có thiếu hụt electron (lỗ trống).
Sau khi cắt lát, các tấm bán dẫn được gia nhiệt nhẹ dưới điểm nóng chảy của silicon (khoảng 1.410 độ C) trong môi trường khí phốt pho. Các nguyên tử phốt pho khuếch tán vào silicon xốp, tạo thành lớp tiếp giáp đồng nhất và đạt độ sâu thích hợp, tạo nên cấu trúc dẫn điện cần thiết.
Lưu ý: Phương pháp pha tạp bằng máy gia tốc hạt nhỏ (bắn ion phốt pho) là một quy trình mới nhưng chưa được áp dụng rộng rãi trong sản xuất thương mại.
Bước 5: Đặt tiếp điểm điện
Các tiếp điểm điện là cần thiết để kết nối các tế bào và thu dòng điện. Các tiếp điểm ở mặt trước phải rất mỏng để không cản ánh sáng mặt trời.Các kim loại như palladium/bạc, niken, hoặc đồng được lắng đọng lên bề mặt tế bào bằng các kỹ thuật như quang khắc (photoresist), in lụa, hoặc hút chân không. Sau đó, các dải kim loại mỏng (thường là đồng bọc thiếc) được đặt giữa các tế bào để hàn nối.
Bước 6: Phủ lớp chống phản quang
Silicon tinh khiết có độ bóng cao, có thể phản xạ tới 35% ánh sáng mặt trời. Để giảm thiểu sự mất mát này, một lớp chống phản chiếu (ARC) được phủ lên tấm bán dẫn.
Lớp phủ thường là titan dioxide hoặc silicon oxide/nitride. Chất liệu có thể được bay hơi và ngưng tụ lên bề mặt silicon, hoặc sử dụng phương pháp phún xạ (sputtering), nơi các phân tử bị bắn ra và bám vào silicon.
Bước 7: Đóng gói cell solar thành tấm pin
Các tế bào quang điện (cell solar) hoàn chỉnh được đóng gói để tạo thành module (tấm pin). Cấu trúc bao gồm:
-
Khung nhôm chắc chắn.
-
Tấm kính siêu nhẹ ở mặt trước.
-
Tấm ốp mặt sau (backsheet).
Bên trong, các tế bào được bảo vệ bằng vật liệu liên kết như nhựa butyryl hoặc cao su silicon trong suốt. Sau đó được bao bọc trong etylen vinyl axetat (EVA) để niêm phong và bảo vệ tất cả các thành phần.
Tấm pin điện mặt trời sản xuất ở đâu?
Hiện nay, pin mặt trời được sản xuất tại nhiều quốc gia, bao gồm Trung Quốc, Hàn Quốc, Canada, Mỹ, và Đức. Các thương hiệu nổi tiếng toàn cầu bao gồm:
-
Canadian Solar (Canada)
-
Hanwha Q CELLS (Hàn Quốc)
-
Jinko Solar (Trung Quốc)
-
JA Solar (Trung Quốc)
-
AE Solar (Đức)
Sản phẩm từ các thương hiệu này được nhập khẩu và phân phối rộng rãi tại Việt Nam. Khách hàng có thể tìm mua chúng tại các địa chỉ uy tín như KITAWA. Tham khảo ngay các sản phẩm tấm pin năng lượng mặt trời chất lượng, chính hãng:
Sản xuất pin năng lượng mặt trời có độc hại không?
Việc sản xuất pin năng lượng mặt trời tiềm ẩn rủi ro độc hại chủ yếu do việc sử dụng hóa chất và phát sinh chất thải trong quy trình.
-
Sử dụng hóa chất độc hại: Quá trình tinh chế silicon siêu tinh khiết có thể tạo ra các hợp chất nguy hại như trichlorosilane và silicon tetrachloride.
-
Ô nhiễm chất thải: Nếu quy trình xử lý không nghiêm ngặt, các hóa chất và rác thải độc hại này có thể thải trực tiếp ra môi trường, gây ô nhiễm đất, nước, và không khí.
-
Phát thải Carbon: Quá trình sản xuất tấm pin tiêu tốn một lượng năng lượng đáng kể, dẫn đến việc phát thải khí nhà kính.
Tuy nhiên, tấm pin không độc hại khi được sử dụng và bảo quản đúng cách, mặc dù một số loại có thể chứa lượng nhỏ kim loại nặng. Ngành công nghiệp đang tích cực tìm kiếm giải pháp để tái chế pin quang điện và giảm thiểu các tác động tiêu cực này.
Như vậy, chúng ta đã cùng nhau khám phá chi tiết quy trình sản xuất pin năng lượng mặt trời từ silicon thô. Việc hiểu rõ từng bước này không chỉ giúp ta nắm bắt cơ chế hoạt động của pin, mà còn nắm được các yếu tố then chốt ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu suất sản phẩm. Mong rằng những chia sẻ chuyên môn từ KITAWA sẽ giúp người dùng có thêm kiến thức cần thiết để có phương án lắp đặt và sử dụng điện mặt trời an toàn, hiệu quả.
