Pin mặt trời là thiết bị phi cơ khí sử dụng chất bán dẫn để chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện. Theo trực giác, mọi người có thể nghĩ rằng pin mặt trời hoạt động tốt nhất dưới ánh sáng mặt trời mạnh, nhưng liệu điều đó có thực sự đúng?
Từ lâu, nhân loại đã sử dụng năng lượng mặt trời với ba phương pháp chính để chuyển đổi nó: chuyển đổi quang điện, chuyển đổi quang nhiệt và chuyển đổi quang hóa. Sản xuất điện năng bằng phương pháp quang điện (PV), chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, là một trong những cách sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả nhất.
Hiệu ứng quang điện được nhà khoa học người Pháp Edmond Becquerel quan sát lần đầu tiên vào năm 1839, và nó đề cập đến sự tạo ra điện thế khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn. Sau đó, Einstein đã giải thích hiệu ứng này bằng lý thuyết lượng tử về ánh sáng, nhờ đó ông đã giành được giải Nobel Vật lý năm 1921.
Khác với hiệu ứng quang điện xảy ra khi ánh sáng chiếu vào một dây dẫn đơn, hiệu ứng quangovoltaic xảy ra tại ranh giới giữa hai tấm bán dẫn. Khi được nối với nhau bằng dây dẫn, ranh giới này tạo ra một điện trường, cho phép dòng điện chạy qua.
Vậy, các tế bào quang điện chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng như thế nào? Ánh sáng mặt trời là một phổ rộng của bức xạ điện từ. Khi chiếu vào tế bào quang điện, bức xạ có thể bị phản xạ, hấp thụ hoặc xuyên qua. Chỉ có bức xạ được hấp thụ mới được chuyển đổi thành năng lượng điện.
Đối với chất bán dẫn gốc silicon, cần năng lượng 1,11 electron volt (eV) để đánh bật một electron ra khỏi nguyên tử của nó. Chỉ những photon có năng lượng lớn hơn ngưỡng này mới có thể tạo ra điện. Tuy nhiên, năng lượng dư thừa từ các photon có năng lượng cao hơn sẽ bị mất đi dưới dạng nhiệt, góp phần làm nóng tấm pin mặt trời, khiến nhiệt độ của nó tăng cao hơn nhiệt độ không khí xung quanh.
Trái với quan niệm phổ biến, các tế bào quang điện dựa trên silicon thực tế hoạt động tốt hơn trong môi trường mát mẻ, mặc dù chúng vẫn cần ánh sáng mặt trời. Khi nhiệt độ tăng, các tấm pin mặt trời sản xuất ít năng lượng hơn, mặc dù nhận được cùng một lượng ánh sáng mặt trời.
Nhiệt độ cao chủ yếu làm giảm điện áp mạch hở (điện áp khi không có dòng điện chạy qua), mặc dù dòng điện ngắn mạch (dòng điện khi pin bị ngắn mạch) vẫn tương đối ổn định. Điều này có nghĩa là nhiệt độ cao hơn dẫn đến hiệu suất thấp hơn và công suất đầu ra giảm.
Các tấm pin mặt trời thường được thử nghiệm ở nhiệt độ tiêu chuẩn 25°C (77°F). Khi nhiệt độ của tấm pin đạt đến 60°C (140°F) hoặc cao hơn, công suất đầu ra sẽ giảm đáng kể. Với mỗi độ tăng nhiệt độ, dòng điện ngắn mạch chỉ tăng 0,04%, trong khi điện áp hở mạch giảm 0,4%.
Mặc dù hiệu suất giảm vào mùa hè, nhưng lượng ánh sáng mặt trời dồi dào trong mùa này vẫn dẫn đến tổng sản lượng năng lượng cao hơn so với các mùa khác.
Cách làm mát tấm pin năng lượng mặt trời
Cũng giống như các thiết bị điện tử khác, tấm pin mặt trời hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ mát mẻ. Vì chúng dựa vào ánh sáng mặt trời chứ không phải nhiệt độ để tạo ra năng lượng, nên chúng hoạt động tốt nhất trong điều kiện ánh sáng mạnh nhưng mát mẻ.
Để làm mát các tấm pin mặt trời vào mùa hè, chúng ta có nên che nắng không? Tất nhiên là không! Che chắn ánh nắng mặt trời sẽ làm mất đi tác dụng của tấm pin mặt trời. Còn việc thoa kem chống nắng thì sao? Không, việc tạo ra các rào cản vật lý sẽ làm giảm sự hấp thụ ánh sáng, và các phương pháp hóa học sẽ không giúp giảm nhiệt độ.
Đối với các tấm pin năng lượng mặt trời trên mái nhà, thông gió tự nhiên là một cách hiệu quả và tiết kiệm để làm mát chúng. Lắp đặt các tấm pin với một khoảng trống giữa chúng và mái nhà cho phép không khí lưu thông và làm mát các tấm pin. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải giữ cho lá cây và các mảnh vụn không lọt vào khoảng trống để duy trì luồng không khí và ngăn ngừa quá nhiệt.
Các nhà nghiên cứu cũng đã nghiên cứu nhiều phương pháp làm mát khác nhau để cải thiện hiệu suất của tấm pin mặt trời. Bên cạnh thông gió tự nhiên, làm mát bằng gió cưỡng bức và làm mát quang điện-nhiệt (PVT) cũng đã được nghiên cứu, mang lại những hiểu biết quý giá về việc giảm nhiệt độ tấm pin và tăng sản lượng năng lượng.
Khi các tấm pin mặt trời, sứ giả của năng lượng sạch, tiếp tục được tích hợp vào cuộc sống của chúng ta, chúng mang đến một làn sóng mới của các giải pháp thân thiện với môi trường và ít phát thải carbon.
