Tấm pin mặt trời màng mỏng là gì

1. Tấm pin mặt trời màng mỏng là gì?

Không giống như pin mặt trời thế hệ đầu tiên được làm từ silicon đơn hoặc đa tinh thể, các tấm pin mặt trời màng mỏng được sản xuất bằng cách sử dụng một hoặc nhiều lớp phần tử PV trên bề mặt bao gồm nhiều loại thủy tinh, nhựa hoặc kim loại để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Và những chất được sử dụng phổ biến nhất cho công nghệ năng lượng mặt trời màng mỏng là cadmium Telluride (CdTe), đồng indium gallium selenide (CIGS), silicon vô định hình (a-Si) và gallium arsenide (GaAs).

2 Cấu trúc của tấm pin mặt trời màng mỏng

Tấm pin mặt trời màng mỏng bao gồm một số lượng lớn pin mặt trời màng mỏng và sử dụng năng lượng ánh sáng (photon) từ Mặt trời để tạo ra điện thông qua hiệu ứng quang điện Nó cũng bao gồm các lớp, tấm nền và hộp nối, tất cả chúng phối hợp với nhau để đảm bảo hoạt động bình thường của các tấm pin mặt trời.

Pin mặt trời màng mỏng là gì?

Pin mặt trời màng mỏng là thiết bị điện tử chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện nhờ hiệu ứng quang điện. Tế bào màng mỏng có xu hướng sử dụng ít vật liệu hơn nhiều - vùng hoạt động của tế bào thường chỉ dày từ 1 đến 10 micromet. Ngoài ra, tế bào màng mỏng thường có thể được sản xuất theo quy trình diện rộng, có thể là quy trình sản xuất tự động, liên tục.

Hơn nữa, các tấm pin mặt trời màng mỏng sử dụng một lớp mỏng oxit dẫn điện trong suốt, chẳng hạn như oxit thiếc để hoạt động. Trong khi các tế bào màng mỏng được làm từ nhiều hạt vật liệu bán dẫn tinh thể nhỏ để tạo ra điện trường tốt hơn với một giao diện, được gọi là dị thể. Nhìn chung, loại thiết bị màng mỏng này có thể được chế tạo dưới dạng một khối duy nhất - nghĩa là nguyên khối - với từng lớp được lắng đọng tuần tự trên một số chất nền, bao gồm cả sự lắng đọng của lớp phủ chống phản xạ và oxit dẫn điện trong suốt.

Lớp là gì?

Thông thường, tấm pin mặt trời màng mỏng có một lớp rất mỏng (dưới 0,1 micron) ở trên được gọi là lớp "cửa sổ" để hấp thụ năng lượng ánh sáng chỉ từ đầu năng lượng cao của quang phổ. Nó phải đủ mỏng và có dải tần đủ rộng (2,8 eV trở lên) để cho tất cả ánh sáng có sẵn xuyên qua giao diện (dị thể) đến lớp hấp thụ. Lớp hấp thụ dưới cửa sổ, thường được pha tạp loại p, được trang bị khả năng hấp thụ cao (khả năng hấp thụ photon) cho dòng điện cao và độ rộng dải thích hợp để cung cấp điện áp tốt.

Bảng nền là gì?

Là một polyme hoặc sự kết hợp của các polyme với nhiều chất phụ gia khác nhau, tấm nền được thiết kế để tạo ra rào cản giữa pin mặt trời và môi trường bên ngoài. Từ đó chúng ta có thể thấy tấm nền là thành phần quan trọng tạo nên độ bền, hiệu quả và tuổi thọ của tấm pin mặt trời.

Hộp nối là gì?

Là một vỏ bọc điện được sử dụng để chứa và bảo vệ các kết nối điện, hộp nối được thiết kế đặc biệt để cung cấp một môi trường an toàn và bảo mật cho các kết nối điện nhằm ngăn chặn sự tiếp xúc ngẫu nhiên với dây điện và đơn giản hóa việc bảo trì hoặc sửa chữa trong tương lai. Thông thường, hộp nối PV được gắn vào mặt sau của tấm pin mặt trời và có chức năng như giao diện đầu ra của nó. Các kết nối bên ngoài cho hầu hết các mô-đun quang điện đều sử dụng đầu nối MC4 để tạo điều kiện kết nối dễ dàng với thời tiết với phần còn lại của hệ thống. Một giao diện nguồn USB cũng có thể được sử dụng.

3 Lịch sử phát triển của tấm pin mặt trời màng mỏng

Lịch sử của các tấm pin mặt trời màng mỏng bắt đầu từ những năm 1970, khi các nhà nghiên cứu bắt đầu khám phá việc sử dụng chất bán dẫn màng mỏng (a-Si) để khai thác năng lượng mặt trời, vào thời điểm đó mối quan tâm đến công nghệ màng mỏng cho mục đích thương mại và các ứng dụng hàng không vũ trụ thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị năng lượng mặt trời màng mỏng silicon vô định hình.

Vào những năm 1980, những tiến bộ trong công nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở rộng các vật liệu màng mỏng hiện có sang các vật liệu mới, chẳng hạn như cadmium Telluride (CdTe) và Copper indium gallium selenide (CIGS), có hiệu suất chuyển đổi cao hơn và chi phí sản xuất thấp hơn.

Những năm 1990 và 2000 là thời điểm có những tiến bộ đáng kể trong việc khám phá các vật liệu năng lượng mặt trời thế hệ thứ ba mới có tiềm năng vượt qua các giới hạn hiệu suất lý thuyết đối với các vật liệu thể rắn truyền thống. Mang các sản phẩm mới như pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm, pin mặt trời chấm lượng tử đã được phát triển.

Trong những năm 2010 và đầu những năm 2020, sự đổi mới trong công nghệ năng lượng mặt trời màng mỏng bao gồm nỗ lực mở rộng công nghệ năng lượng mặt trời thế hệ thứ ba sang các ứng dụng mới và giảm chi phí sản xuất. Năm 2004, Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) đã đạt được hiệu suất kỷ lục thế giới là 19,9% đối với mô-đun màng mỏng CIGS. Năm 2022, pin mặt trời màng mỏng hữu cơ dẻo được tích hợp vào vải.

Ngày nay, pin mặt trời màng mỏng hữu cơ linh hoạt được tích hợp vào chế tạo khiến chúng trở thành lựa chọn tốt hơn so với các tấm silicon truyền thống. Và công nghệ màng mỏng chiếm khoảng 19% tổng sản lượng của Hoa Kỳ. thị phần trong cùng năm, bao gồm 30% sản lượng quy mô tiện ích.

4.Các loại tấm pin mặt trời

Có một số loại vật liệu được sử dụng để sản xuất pin mặt trời màng mỏng, dựa trên nguyên liệu thô của chúng, chúng có thể được chia thành bốn loại 

l Tấm màng mỏng Cadmium Telluride (CdTe) là loại tấm pin mặt trời sử dụng một lớp cadmium Telluride mỏng lắng đọng trên vật liệu nền, chẳng hạn như thủy tinh hoặc thép không gỉ, làm vật liệu bán dẫn. Không chỉ nhẹ và dễ lắp đặt, chúng còn có khả năng sản xuất năng lượng cao trong điều kiện ánh sáng yếu, nghĩa là chúng có thể tạo ra điện ngay cả khi thời tiết nhiều mây hoặc u ám. Người ta ước tính rằng các tấm pin mặt trời màng mỏng CdTe đạt hiệu suất 19% trong Điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (STC), nhưng các pin mặt trời đơn lẻ đã đạt được hiệu suất 22,1%. Tuy nhiên, có một số lo ngại về độc tính của cadmium, vì đây là kim loại nặng có thể gây tổn hại đến môi trường nếu không được xử lý đúng cách.

l Tấm màng mỏng Copper Indium Gallium Selenide (CIGS) được sản xuất bằng cách đặt một lớp điện cực molypden (Mo) lên trên đế thông qua quy trình phún xạ So với các công nghệ PV khác, chúng có hiệu suất cao và có thể đạt hiệu suất lý thuyết là 33% trong tương lai. Ngoài ra, chúng ít bị nứt hoặc gãy và dễ vận hành. Tuy nhiên, bất chấp những lợi thế này, chi phí vẫn tương đối đắt hơn so với các công nghệ khác, điều này có thể cản trở sự phát triển hơn nữa của chúng.

l Tấm màng mỏng silicon vô định hình (a-Si) được sản xuất bằng cách xử lý các tấm thủy tinh hoặc chất nền linh hoạt, cùng với cấu hình p-i-n hoặc n-i-p. Ưu điểm của tấm màng mỏng a-Si bao gồm tính linh hoạt và kết cấu nhẹ, khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong các ứng dụng di động, chẳng hạn như cắm trại hoặc cấp nguồn cho cảm biến từ xa. Tuy nhiên, do kính dẫn điện cho các tấm này đắt tiền và quá trình xử lý chậm nên giá của nó tương đối đắt gần 0,69 USD/W.

l Tấm màng mỏng Gallium Arsenide (GaAs) phức tạp hơn so với pin mặt trời màng mỏng thông thường trong quy trình sản xuất. Điều đáng nói là chúng đạt hiệu suất cao lên tới 39,2% và có khả năng chịu nhiệt, chống ẩm tốt hơn. Tuy nhiên, thời gian sản xuất, chi phí nguyên liệu và vật liệu tăng trưởng cao khiến nó trở thành một lựa chọn ít khả thi hơn.

5. Ứng dụng của tấm pin mặt trời màng mỏng

Là một loại giải pháp thay thế mới cho quang điện silicon, các tấm pin mặt trời màng mỏng chủ yếu được sử dụng trong các lĩnh vực sau.

l Quang điện tích hợp trong tòa nhà (BIPV)

Vì các tấm PV màng mỏng có thể nhẹ hơn tới 90% so với các tấm silicon, nên một ứng dụng bắt đầu trở nên phổ biến rộng rãi trên toàn thế giới là BIPV, trong đó các tấm pin mặt trời được gắn vào mái ngói, cửa sổ, các cấu trúc yếu, v.v. Ngoài ra,  Một số loại PV màng mỏng có thể được chế tạo bán trong suốt, giúp giữ tính thẩm mỹ cho ngôi nhà và tòa nhà đồng thời cho phép phát điện bằng năng lượng mặt trời.

l Ứng dụng không gian

Do ưu điểm nhẹ, hiệu quả cao, phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng và thậm chí cả khả năng chống chịu bức xạ, các tấm pin mặt trời màng mỏng, đặc biệt là các tấm pin mặt trời CIGS và GaAs, là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng không gian.

l Xe cộ và ứng dụng hàng hải

Một ứng dụng phổ biến của tấm pin mặt trời màng mỏng là lắp đặt các mô-đun PV linh hoạt trên nóc xe (đặc biệt là RV hoặc xe buýt) và sàn thuyền và các tàu khác, có thể được sử dụng để cung cấp điện đồng thời vẫn giữ được tính thẩm mỹ.

l Ứng dụng di động

Tính di động và kích thước của nó đã mang lại cho nó sự phát triển bền vững trong lĩnh vực điện tử tự cấp nguồn nhỏ và lĩnh vực Internet of Things (IoT), dự kiến ​​sẽ tăng trưởng đáng kể trong những năm tới. Và với sự tiến bộ của nó, nó có thể được ứng dụng rộng rãi hơn ở những địa điểm xa xôi với các tấm pin mặt trời có thể gập lại, pin dự phòng năng lượng mặt trời, máy tính xách tay chạy bằng năng lượng mặt trời, v.v.

6. Xu hướng phát triển của tấm pin mặt trời màng mỏng

Với sự chấp nhận ngày càng tăng của năng lượng mặt trời trên toàn thế giới, việc thực hiện các hạn chế năng lượng nghiêm ngặt và nỗ lực ngày càng tăng của chính phủ nhằm tích hợp các nguồn xanh vào lưới điện, các tấm pin mặt trời màng mỏng dự kiến ​​sẽ đạt khoảng 27,11 tỷ USD vào năm 2030 với tốc độ CAGR đáng chú ý là 8,29% so với cùng kỳ năm ngoái. 2022 đến 2030 Sự gia tăng được thúc đẩy bởi lợi thế của nó và R&D, vì chúng cực kỳ kinh tế và dễ tạo ra, sử dụng ít vật liệu hơn và tạo ra ít chất thải hơn. Và R&D để nâng cao độ bền và hiệu suất của pin mặt trời cũng sẽ tạo ra cơ hội mới cho tăng trưởng thị trường.

Tuy nhiên, cơ hội luôn đi kèm với thách thức. Mức độ cạnh tranh cao, môi trường pháp lý thay đổi cũng như nguồn tài chính và nguồn lực khan hiếm có nghĩa là hiện tại họ khó có thể chiếm được một phần lớn thị phần toàn cầu.

7 Phân tích đầu tư của tấm pin mặt trời màng mỏng

Thị trường pin mặt trời màng mỏng dường như phát triển trong những năm gần đây, được thúc đẩy bởi một số yếu tố.

l Phân tích loại sản phẩm

Năm 2018, CdTe sản xuất điện với mức giá thấp hơn đáng kể hoặc ngang bằng với các nguồn năng lượng nhiên liệu hóa thạch thông thường. Do chi phí sản xuất và vận hành rẻ, không độc hại, nên hiện nay loại cadmium Telluride đang thống trị thị trường pin mặt trời màng mỏng trên toàn thế giới và người ta dự đoán rằng nó sẽ tiếp tục tăng trưởng với tốc độ nhanh nhất trong suốt thời kỳ dự đoán.

l Phân tích người dùng cuối

Sự phát triển và nghiên cứu ngày càng tăng nhằm giảm chi phí lắp đặt và bảo trì có thể thúc đẩy nhu cầu của người tiêu dùng. Năm 2022, thị trường tiện ích thống trị thị trường pin mặt trời màng mỏng trên toàn thế giới và người ta dự đoán rằng nó sẽ tiếp tục phát triển với tốc độ nhanh nhất trong suốt giai đoạn dự báo . Do các tấm pin mặt trời màng mỏng xuống cấp với tốc độ chậm hơn nhiều nên chúng mang lại giải pháp thay thế tiềm năng cho các tấm pin mặt trời c-Si truyền thống.

l Phân tích khu vực

Châu Á-Thái Bình Dương là khu vực lớn nhất trên thế giới về pin mặt trời màng mỏng vào năm 2022 và được dự đoán rằng khu vực này sẽ tiếp tục mở rộng với tốc độ cao nhất do nhiều yếu tố thúc đẩy. Ví dụ, với tư cách là thị trường điện mặt trời lớn nhất thế giới, Trung Quốc sẽ nâng mục tiêu về năng lượng tái tạo từ 20% lên 35% vào năm 2030. Và các cơ sở quang điện mặt trời quy mô tiện ích ở Trung Quốc chủ yếu sử dụng công nghệ màng mỏng. Hơn nữa, Nhật Bản cũng đã tuyên bố ý định chỉ sử dụng năng lượng bền vững trong tương lai.

8 Những điều cần cân nhắc đối với tấm pin mặt trời màng mỏng chất lượng cao

Khi mua tấm pin mặt trời, không chỉ phải quan tâm đến giá cả, chất lượng mà còn phải lưu ý đến các yếu tố khác.

l Hiệu quả: Hiệu suất cao có thể chuyển đổi nhiều năng lượng mặt trời thành điện năng hơn. Nhìn chung, nồng độ hạt mang điện cao hơn có thể làm tăng hiệu suất của pin mặt trời bằng cách tăng độ dẫn điện. Việc bổ sung bộ tập trung vào pin mặt trời không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn có thể giảm không gian, vật liệu và chi phí cần thiết để sản xuất pin.

l Độ bền và tuổi thọ: Một số mô-đun màng mỏng cũng gặp vấn đề về sự xuống cấp trong nhiều điều kiện khác nhau. Trong số tất cả các vật liệu, CdTe thể hiện khả năng chống suy giảm hiệu suất tốt nhất theo nhiệt độ. Và không giống như các vật liệu màng mỏng khác, CdTe có xu hướng khá đàn hồi với các điều kiện môi trường như nhiệt độ và độ ẩm, nhưng các tấm CdTe linh hoạt có thể bị suy giảm hiệu suất dưới tác dụng của ứng suất hoặc biến dạng.

lTrọng lượng: Nó đề cập đến mật độ của tấm pin mặt trời màng mỏng. Nhìn chung, tấm pin mặt trời màng mỏng có trọng lượng nhẹ nên bạn không nên sợ tác dụng trọng lượng chết lên mái nhà của mình. Tuy nhiên, trọng lượng vẫn cần được cân nhắc khi lựa chọn để đảm bảo không bị quá tải khi lắp đặt.

l Nhiệt độ: Điều này có nghĩa là nhiệt độ tối thiểu và tối đa mà tấm pin mặt trời Thin Film có thể hoạt động. Nhìn chung, tất cả các tấm pin mặt trời màng mỏng tốt nhất đều được coi là có nhiệt độ tối thiểu -40°C và nhiệt độ tối đa là 80°C.