Pin mặt trời biến ánh nắng thành điện nhờ chất bán dẫn, phổ biến nhất là silic. Tấm silic được ghép từ hai lớp pha tạp khác nhau, tạo sẵn ở chỗ tiếp giáp một vùng có điện trường. Khi hạt ánh sáng đập vào, nó đánh bật electron ra khỏi liên kết; điện trường đẩy electron chạy về một phía, và nếu nối hai mặt tấm pin bằng dây dẫn, ta có dòng điện. Không có bộ phận nào quay, không có gì cháy.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Đi qua những vùng nắng gió như Ninh Thuận, Bình Thuận, hay nhìn từ trên cao xuống các khu dân cư, bạn sẽ thấy rất nhiều mái nhà lấp lánh tấm pin xanh sẫm. Tập này mình nhìn vào bên trong một tấm pin, để hiểu nó làm việc thế nào và vì sao chiếc lá rơi trên mái cũng làm nó yếu đi.
Ánh sáng là những hạt mang năng lượng
Để hiểu pin mặt trời, cần một ý mà Albert Einstein đã đưa ra năm một nghìn chín trăm lẻ năm: ánh sáng không chỉ là sóng mà còn đến thành từng gói năng lượng nhỏ, về sau được gọi là phô tôn. Mỗi phô tôn mang một lượng năng lượng tuỳ theo màu của ánh sáng, ánh sáng xanh tím mang nhiều hơn ánh sáng đỏ.
Khi phô tôn đập vào vật chất, nó có thể trao toàn bộ năng lượng cho một electron. Nếu năng lượng đủ lớn, electron được giải phóng khỏi chỗ của nó. Hiện tượng ánh sáng làm bật electron ra gọi là hiệu ứng quang điện, và lời giải thích của Einstein về nó là lý do chính ông được trao giải Nobel.
Trong silic, các electron bị giữ trong liên kết giữa các nguyên tử. Phô tôn ánh sáng nhìn thấy có đủ năng lượng để đánh bật electron ra khỏi liên kết, để lại một chỗ trống mang điện dương gọi là lỗ trống.
Nhưng nếu chỉ có vậy, electron sẽ lang thang một lúc rồi rơi lại vào một lỗ trống nào đó, năng lượng biến thành nhiệt. Cần có thứ gì đó tách chúng ra và dẫn đi.
Lớp tiếp giáp: con dốc đẩy electron đi một chiều
Người ta pha vào silic một lượng rất nhỏ nguyên tố khác. Một lớp được pha để thừa electron, gọi là lớp loại n. Lớp kia pha để thiếu electron, gọi là lớp loại p. Ghép hai lớp lại, ở chỗ tiếp giáp, electron thừa tràn sang lấp chỗ thiếu, để lại một vùng mỏng có điện trường cố định bên trong.
Vùng điện trường này giống một con dốc một chiều. Khi ánh sáng tạo ra cặp electron và lỗ trống ở gần đó, điện trường đẩy electron về phía lớp n và lỗ trống về phía lớp p. Chúng bị tách ra trước khi kịp gặp lại nhau.
Electron dồn về một mặt, lỗ trống dồn về mặt kia, giữa hai mặt xuất hiện hiệu điện thế. Nối hai mặt bằng dây qua bóng đèn hay bình ắc quy, electron chạy vòng qua mạch ngoài để về gặp lỗ trống, thắp sáng bóng đèn trên đường đi.
Mỗi tế bào pin chỉ cho một hiệu điện thế nhỏ, khoảng nửa vôn. Một tấm pin trên mái là hàng chục tế bào nối với nhau để có hiệu điện thế và công suất đủ dùng. Những đường kẻ bạc mảnh trên mặt tấm pin là các dây dẫn gom điện từ mỗi tế bào.
Vì sao pin mặt trời không biến hết nắng thành điện?
Một tấm pin thương mại phổ biến hiện nay chỉ biến được khoảng một phần năm năng lượng ánh nắng thành điện. Phần còn lại phần lớn thành nhiệt hoặc bị phản xạ đi.
Lý do chính nằm ở chính các phô tôn. Phô tôn ánh sáng đỏ xa và hồng ngoại có quá ít năng lượng, không đánh bật nổi electron, đi qua vô ích. Phô tôn xanh tím có thừa năng lượng, đánh bật electron xong phần thừa biến thành nhiệt. Silic chỉ khớp tốt với một khoảng giữa.
Pin còn yếu đi khi nóng. Trưa hè nắng gắt nhất, tấm pin nóng lên, hiệu suất giảm bớt. Vì vậy tấm pin được lắp có khe hở phía dưới để gió lùa làm mát, và những ngày nắng mát trời trong có khi cho điện tốt không kém trưa hè oi.
Các phòng thí nghiệm đã làm được pin hiệu suất cao hơn nhiều bằng cách xếp chồng nhiều lớp vật liệu, mỗi lớp ăn một khoảng màu. Nhưng chúng đắt, chủ yếu dùng cho vệ tinh và ứng dụng đặc biệt.
Bóng râm, bụi bẩn và chiếc lá trên mái
Các tế bào trong một tấm pin, và các tấm trong một dàn, thường nối tiếp nhau như những đoạn ống nước nối liền. Dòng điện chạy qua cả chuỗi bị giới hạn bởi tế bào yếu nhất. Một chiếc lá che một tế bào, một vệt bóng cột ăng ten vắt ngang tấm pin có thể làm cả chuỗi giảm đáng kể.
Các nhà sản xuất gắn sẵn những linh kiện bắc cầu để dòng điện đi vòng qua chỗ bị che, giảm bớt thiệt hại, và có những bộ tối ưu gắn cho từng tấm. Nhưng nguyên tắc vẫn là khi lắp đặt, tránh những chỗ bị bóng cây, bóng nhà bên cạnh, bóng bồn nước che vào một phần thời gian trong ngày.
Bụi, phân chim, lá khô bám dày cũng chặn ánh sáng. Ở vùng ít mưa, nhiều bụi, lau tấm pin định kỳ giúp lấy lại sản lượng.
Lau pin nên làm vào sáng sớm hay chiều mát, dùng nước sạch và chổi mềm, không xối nước lạnh lên tấm pin đang nóng rực, không dùng bàn chải cứng làm xước mặt kính.
Từ điện một chiều tới ổ cắm trong nhà, và chuyện an toàn
Pin mặt trời cho ra điện một chiều, giống điện của cục pin. Đồ điện trong nhà dùng điện xoay chiều hai trăm hai mươi vôn. Bộ biến tần là thiết bị chuyển đổi giữa hai loại, và với hệ nối lưới, nó còn đồng bộ nhịp với điện lưới để có thể đưa điện thừa lên lưới.
Dàn pin nối nhiều tấm với nhau có thể cho hiệu điện thế một chiều khá cao trên mái, và chừng nào còn nắng thì tấm pin còn phát điện, kể cả khi bạn đã tắt cầu dao trong nhà. Đây là lý do việc lắp đặt, sửa chữa phải do người có chuyên môn làm. Đừng tự tháo đầu nối hay leo lên mái chạm vào dây.
Mái nhà còn có nguy cơ ngã, nhất là mái tôn trơn và mái ngói. Lau pin trên mái cao cần dây đai an toàn, hoặc nhờ đơn vị có dụng cụ chuyên dụng.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: màn hình điện thoại cũng là một tấm phẳng làm việc với điện và ánh sáng, nhưng theo chiều ngược lại, và nó còn biết ngón tay bạn chạm vào đâu. Vì sao nó nhận ra ngón tay nhưng lại không nhận ra đầu chiếc bút bi?
Câu hỏi thường gặp
Trời nhiều mây pin mặt trời có phát điện không?
Có, nhưng ít hơn rõ rệt so với trời nắng, vì ánh sáng tới tấm pin yếu hơn. Ban đêm thì tấm pin không phát điện.
Tấm pin mặt trời dùng được bao lâu?
Tấm pin thường có tuổi thọ dài nhiều năm và công suất giảm chậm dần theo thời gian. Thời hạn bảo hành và mức suy giảm cụ thể do nhà sản xuất công bố, nên đọc kỹ khi mua.
Pin mặt trời có cần hướng về phía nào ở Việt Nam?
Vì Việt Nam nằm ở bắc bán cầu, tấm pin thường được đặt nghiêng về phía nam để nhận nắng tốt cả năm. Góc nghiêng cụ thể tuỳ vĩ độ và mái nhà, nên để đơn vị lắp đặt tính toán.
Pin mặt trời và máy nước nóng năng lượng mặt trời khác nhau thế nào?
Pin mặt trời biến ánh sáng thành điện bằng chất bán dẫn. Máy nước nóng năng lượng mặt trời chỉ hấp thụ nhiệt của nắng để đun nước trong ống, không tạo ra điện.
Vì sao tấm pin có màu xanh sẫm hay đen?
Tấm pin được thiết kế để hấp thụ càng nhiều ánh sáng càng tốt, nên bề mặt có lớp chống phản xạ và màu sẫm. Ánh sáng bị phản xạ đi là ánh sáng không thành điện được.
