Quy trình sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời

Ánh sáng và nhiệt lượng mà mặt trời cung cấp cho trái đất là vô tận, đây là một nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt và là nguồn sống của rất nhiều loài sinh vật sống trên Trái Đất. Mặt trời không chỉ chiếu sáng và sưởi ấm cho Trái Đất mà còn cung cấp cho chúng ta một nguồn năng lượng điện vô hạn, chính là nguồn điện năng lượng mặt trời.

Vậy làm cách nào mà chúng ta có thể thu được nguồn năng lượng điện mặt trời? Chính là nhờ vào các tấm pin chuyển lượng quang năng thu được từ mặt trời thành điện năng sử dụng trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta.
Hãy cùng nhau tìm hiểu về quy trình tạo ra các tấm pin năng lượng mặt trời

1. Nguyên liệu cấu tạo nên các pin mặt trời

Trong môi trường tự nhiên có rất nhiều nguồn nguyên liệu được cấu tạo thành từ nhiều nguyên tố hóa học khác nhau. Tuy nhiên, cho đến hiện nay, nguyên liệu có mức phản ứng tốt nhất với năng lượng mặt trời chính là nguyên liệu silicon tinh khiết. Trong trạng thái tự nhiên thì silicon thường rất thô, chúng có nguồn gốc từ silicon đioxit chẳng hạn như đá thạch anh (silica tinh khiết nhất) hay thạch anh nghiền, và cần phải xử lý qua nhiều công đoạn mới có thể tạo thành một tấm pin hoàn chỉnh.

2. Quy trình sản xuất pin năng lượng mặt trời

2.1. Quá trình làm sạch silicon

Đây được xem là quá trình quan trọng nhất quyết định đến chất lượng cũng như hiệu suất của một tấm pin mặt trời, vì một tấm pin đạt chuẩn và đảm bảo chất lượng thì độ tinh khiết của silicon gần như là tuyệt đối 100% tinh khiết.

Đầu tiên, các nguyên liệu thô silicon sẽ được đặt vào lò nung quang điện hình cung, là nơi cacbon hình cung được sử dụng để giải phóng oxy. Sản phẩm của quá trình nung nóng chảy này là carbon dioxide và silicon dưới dạng chất lỏng. Silicon lúc này có độ tạp chất 1%, chưa đủ tinh khiết để tạo tế bào quang điện, cần phải trải qua quá trình làm sạch thêm.
99% silicon tinh khiết còn lại được tinh chế một lần nữa bằng cách sử dụng kỹ thuật floating zone. Trong phương pháp Floatzone, một thanh đa tinh thể thẳng (ví dụ như silicon) được nung chảy liên tục trong một cuộn từ cảm 1 vòng với đường kính chỉ vài mm (1,5-4 mm/phút) và được kéo thành một tinh thể trong cuộn từ cảm. Hai thanh quay theo hai hướng ngược nhau và không tiếp xúc với các vật liệu hoặc chén nung khác. Đường kính thông thường của tinh thể được kéo ra tới khoảng 200mm. Vì sự tinh khiết cao nên các tinh thể này được sử dụng làm bán dẫn công suất. Phương pháp này sử dụng máy phát TRUMPF Hüttinger với công nghệ ống, vì cần tới tần số cao (2-3MHz) và công suất lớn (80-120kW).
Thanh silicon không tinh khiết sẽ được truyền qua khu vực được gia nhiệt nhiều lần trong cùng một hướng. Mỗi lần thông qua, khu vực này sẽ kéo các tạp chất hướng tới một đầu. Vào thời điểm này, silicon đã được làm sạch, hoàn toàn tinh khiết, còn đầu chứa tạp chất được loại bỏ ra bên ngoài.

2.2. Quá trình làm silicon đơn tinh thể

Các pin quang điện được làm từ hầu hết các thỏi silicon có hình trụ, có cấu trúc nguyên tử đơn tinh thể, được làm từ quy trình Czochralski. Quy trình Czochralski là công nghệ thường xuyên nhất để cấy tinh thể. Tinh thể đơn được kéo từ hỗn hợp nung chảy trong chén nung. Đối với silicon, chén nung được gia nhiệt điện trở đối với các tinh thể có điểm nóng chảy cao hơn (sapphire) sẽ sử dụng các chén nung cảm ứng phủ than chì. Với trợ giúp của một tinh thể hạt xoay được nhúng vào hỗn hợp nóng chảy, tinh thể đơn được kéo ở tốc độ nhiều mm trên giờ. Trong đó phải tránh biến động nhiệt độ. Do đó, máy phát phải cung cấp công suất đầu ra không đổi trong một thời gian dài. Công suất yêu cầu là từ 20 đến 100kW với tần số khoảng 15kHz.
Nói một cách dễ hiểu hơn, trong quy trình này, một hạt đơn tinh thể silicon được nhúng vào silicon đa tinh thể nóng chảy. Khi hạt tinh thể rút lại và xoay vòng, một phôi hình trụ hay boule của silicon được hình thành. Phôi thu được chưa chắc tinh khiết nhất vì tạp chất có lẽ vẫn còn trong chất lỏng của silicon đa tinh thể.

2.3. Quá trình làm tấm bán dẫn silic

Từ các phôi hình trụ, người ta sử dụng cưa tròn có đường kính bên trong, cắt bên trong thỏi hình trụ thành từng tấm bán dẫn silic hay có thể cắt nhiều lát cùng một lúc bằng cưa đa dây (chiếc cưa hình kim cương tạo ra các vết cắt rộng và dày 5 milimet.
Chỉ khoảng một nửa silicon bị mất từ phôi hình trụ đến lát hình tròn đã hoàn thành hay nhiều hơn nếu sau đó tấm bán dẫn silic được cắt thành hình chữ nhật hay hình lục giác.
Các tấm bán dẫn hình chữ nhật hay hình lục giác đôi khi được sử dụng để tạo ra tấm pin quang điện vì chúng có thể được gắn với nhau một cách hoàn hảo, nhờ đó tận dụng tất cả không gian có sẵn trên bề mặt phía trước của pin
Sau đó, các tấm bán dẫn được đánh bóng để loại bỏ các dấu cưa. Thời điểm gần đây, người ta nhận ra các tế bào thô ráp hấp thụ ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn, do đó có vài nhà sản xuất đã bỏ qua quá trình đánh bóng tấm bán dẫn.

2.4. Quá trình pha tạp (doping)

Các Silicon tinh khiết được pha tạp với phốt pho và boron để tạo ra lượng electron dư thừa và sự thiếu hụt electron tương ứng sẽ tạo chất bán dẫn có khả năng dẫn điện.

Sau quá trình Czochralski, các tấm bán dẫn được hàn kín lại và đặt trong lò nung để gia nhiệt nhẹ nhàng dưới điểm nóng chảy của silic (2.570 độ F hay 1.410 độ C) với sự hiện diện của khí photpho.
Các nguyên tử photpho đào bên trong silicon xốp hơn vì nó gần như trở thành chất lỏng. Nhiệt độ và thời gian cho quá trình này được kiểm soát cẩn thận để đảm bảo đường nối đồng nhất và có độ sâu thích hợp.
Thời gian gần đây, người ta pha tạp silicon với photpho bằng cách sử dụng máy gia tốc hạt nhỏ để bắn các ion phốt pho vào thỏi. Bằng việc kiểm soát tốc độ của các ion, có thể kiểm soát được độ sâu thâm nhập của chúng. Tuy nhiên quy trình mới này không được nhà sản xuất thương mại chấp nhận.

2.5. Quá trình đặt các tiếp điểm điện

Các tiếp điểm điện kết nối từng tế bào năng lượng mặt trời với nhau và đến đầu thu của dòng điện hiện tại. Các tiếp điểm phải rất mỏng (ít nhất là ở phía trước) để không chặn ánh sáng mặt trời vào tế bào.
Các kim loại như paladi / bạc, niken hay đồng được hút chân không thông qua quá trình quang khắc (photoresist: chất cản quang, có tính chất nhạy quang tức là tính chất bị thay đổi khi chiếu các bức xạ thích hợp), in lụa hay chỉ lắng đọng trên phần tiếp xúc của các tế bào đã được phủ một phần bằng sáp.
Cả ba phương pháp đều liên quan đến một hệ thống với bên trong gồm một phần của tế bào có tiếp điểm không đòi hỏi được bảo vệ, trong khi phần còn lại tiếp xúc với kim loại.
Sau khi đặt các tiếp điểm, các miếng mỏng được đặt giữa các tế bào. Miếng mỏng sử dụng phổ biến được làm từ đồng bọc thiếc.

2.6. Quá trình phủ lớp chống phản quang

Bởi vì silicon tinh khiết rất sáng bóng, có thể phản xạ tới 35% ánh sáng mặt trời. Để làm giảm lượng ánh sáng mặt trời bị mất, trên các tấm bán dẫn silicon được phủ lớp chống phản chiếu.

Lớp phủ thường được sử dụng nhất làm bằng titan dioxit và silicon oxit. Chất liệu được sử dụng cho lớp phủ hoặc là nóng lên cho đến khi các phân tử của nó bay hơi, di chuyển đến silicon và ngưng tụ, hoặc là trải qua quá trình phún xạ (Sputtering: Phún xạ cathode (Cathode sputter) là một kỹ thuật chế tạo màng mỏng rất quen thuộc trong nhiều phòng thí nghiệm ở Việt Nam và trên thế giới, trong cả thế giới nghiên cứu cơ bản và thế giới công nghiệp. Dù đã tồn tại rất lâu đã hơn 100 năm lịch sử kể từ phát triển đầu tiên vào năm 1903 bởi Edison’s National Phonograph, sputter vẫn là một kỹ thuật tiên tiến được nhiều phòng thí nghiệm ưa chuộng bởi nó vừa không quá phức tạp mà vẫn tạo ra những màng mỏng với chất lượng cao từ quy mô lớn tới quy mô nhỏ).
Trong quá trình phún xạ, điện áp cao đập các phân tử ra khỏi chất liệu và để chúng vào silicon ở điện cực. Một phương pháp khác cho phép silicon phản ứng với các khí có chứa oxy hay nitơ để hình thành silicon dioxit hay silicon nitride.

2.7. Quá trình đóng gói tế bào thành tấm pin

Các pin mặt trời đã hoàn thành thường được đóng gói lại tạo thành các modun và được đặt vào khung kim loại bằng nhôm có tấm ốp mặt sau tạo nên sự chắc chắn cho pin cùng tấm kính bằng nhựa siêu nhẹ, có độ bền cao.
Bên trong khung kim loại là vật liệu bảo vệ gồm cao su chứa silicon trong suốt hay nhựa butyryl (thường được sử dụng trong kính chắn gió ô tô) liên kết xung quanh các tế bào, sau đó nhúng trong etylen vinyl axetat.
Chất silicon được sử dụng tựa như xi măng để ghép tất cả các thành phần bên trên lại với nhau.