Ánh sáng biến thành điện như thế nào trong một tấm pin Mặt Trời?

Năm 1839, Alexandre Edmond Becquerel chiếu ánh sáng vào một dụng cụ gồm hai tấm kim loại đặt trong chất lỏng dẫn điện và phát hiện một dòng điện rất yếu. Phát hiện nhỏ ấy mở ra câu hỏi lớn: làm thế nào ánh sáng, vốn không có dây dẫn hay bánh răng, lại khiến điện xuất hiện? Câu trả lời nằm ở cách vật liệu tiếp nhận năng lượng từ photon và tổ chức chuyển động của electron. [1]

Trong tế bào quang điện, silicon hấp thụ năng lượng ánh sáng, giải phóng một số electron rồi tạo điều kiện để chúng đi theo hướng nhất định qua mạch ngoài. Dòng chuyển động có hướng đó mới trở thành điện năng có thể dùng để vận hành thiết bị. [1]

Phát hiện ban đầu cho thấy điều gì?

Thí nghiệm của Becquerel chưa phải một tấm pin Mặt Trời theo cách chúng ta biết ngày nay. Hai tấm kim loại và chất lỏng dẫn điện của ông tạo ra dòng điện yếu khi được chiếu sáng. Điều đáng chú ý là ánh sáng không chỉ làm vật nóng lên hoặc khiến một bề mặt sáng hơn; nó có thể liên quan trực tiếp đến sự xuất hiện của dòng điện. Hiện tượng này ngày nay được gọi là hiệu ứng quang điện. [1]

Có thể hình dung photon là một gói năng lượng rất nhỏ trong ánh sáng. Khi photon gặp vật liệu phù hợp, nó truyền năng lượng cho electron, khiến electron rời khỏi trạng thái ban đầu và bắt đầu chuyển động. Nhưng electron được kích thích chưa đồng nghĩa với một nguồn điện. Nếu chuyển động của chúng tản ra theo nhiều hướng, không có dòng ổn định đi qua dây dẫn. Tế bào quang điện phải tạo thêm một chênh lệch điện tích để điều hướng chúng. [1]

Vì sao selenium chưa đủ hiệu quả?

Sau phát hiện của Becquerel, các nhà khoa học tìm kiếm vật liệu rắn có thể đáp ứng với ánh sáng. Selenium là một trong những vật liệu đầu tiên được thử nghiệm. Đến năm 1884, selenium đã được dùng trong một hệ thống pin Mặt Trời lắp trên mái nhà ở New York. Tuy nhiên, các ứng dụng thực tế vẫn hạn chế vì hiệu suất chỉ khoảng một phần trăm, nghĩa là chỉ một phần rất nhỏ năng lượng ánh sáng được chuyển thành điện. [1]

Hiệu suất là tỷ lệ giữa năng lượng điện thu được và năng lượng ánh sáng chiếu vào, không phải tỷ lệ thời gian tấm pin hoạt động. Một tế bào có hiệu suất thấp vẫn có thể tạo điện khi có ánh sáng, chỉ là lượng điện thu được so với năng lượng nhận vào còn nhỏ. Vì vậy, vấn đề của selenium không phải nó hoàn toàn không hoạt động, mà là nó chưa biến ánh sáng thành điện ở mức đủ hữu ích cho nhiều ứng dụng. [1]

Bước ngoặt đến vào năm 1954, khi các nhà khoa học tại Bell Labs chế tạo tế bào silicon đạt hiệu suất khoảng sáu phần trăm. Silicon là chất bán dẫn, tức là vật liệu có khả năng dẫn dòng điện có thể được điều chỉnh bằng cách đưa năng lượng hoặc thêm một số nguyên tố. Từ nền tảng đó, các thiết kế được cải tiến dần; pin Mặt Trời công nghiệp và thương mại hiện đạt khoảng 15 đến 23 phần trăm theo NASA. [1]

Ba lớp silicon tạo dòng điện ra sao?

Một tế bào silicon điển hình có thể được giải thích bằng ba lớp mỏng. Lớp giữa là silicon tinh khiết. Hai lớp bên ngoài vẫn là silicon nhưng được pha thêm nguyên tố khác: thường là phốt pho ở một phía và boron ở phía còn lại. Cách pha này làm hai vùng có khả năng cho hoặc nhận electron khác nhau. [1]

Khi ánh sáng chiếu vào lớp silicon, photon truyền năng lượng cho một số electron. Cấu trúc gồm hai vùng có tính chất điện khác nhau tạo ra xu hướng chuyển động có hướng: electron bị dẫn về phía phù hợp với chúng, còn phía kia hình thành sự thiếu electron, biểu hiện như điện tích dương. Nhờ vậy, năng lượng ánh sáng không chỉ tạo ra các hạt chuyển động mà còn sắp xếp chúng thành một chênh lệch điện tích. [1]

Các tiếp điểm kim loại và dây dẫn nối hai phía thành mạch kín. Khi mạch nối với một thiết bị, electron đi qua dây dẫn ngoài để cân bằng chênh lệch điện tích. Thiết bị nhận dòng điện đó và biến đổi thành hoạt động cụ thể, chẳng hạn cung cấp năng lượng cho cảm biến, máy tính hoặc bộ liên lạc. Silicon không tạo electron từ hư không; nó dùng năng lượng ánh sáng để làm electron chuyển động, rồi thu chuyển động ấy thành dòng điện. [1]

Vì sao pin Mặt Trời quan trọng với tàu vũ trụ?

Tàu vũ trụ cần một nguồn điện lâu dài cho máy tính, bộ liên lạc và thiết bị khoa học. Pin Mặt Trời có lợi thế là không cần mang theo nhiên liệu để liên tục tạo điện trong thời gian hoạt động. Năm 1958, Vanguard 1 trở thành tàu vũ trụ đầu tiên dùng điện từ pin Mặt Trời và tiếp tục truyền dữ liệu trong sáu năm. Sau đó, tế bào quang điện trở thành phương án quen thuộc cho nhiều nhiệm vụ không gian. [1]

Tuy nhiên, khoảng cách tới Mặt Trời quyết định mức độ hữu ích của giải pháp này. Sao Mộc chỉ nhận lượng ánh sáng bằng khoảng một phần hai mươi lăm so với Trái Đất. Vì thế, tàu Juno cần ba tấm pin dài khoảng 9 mét để tạo công suất xấp xỉ 500 watt. Ở những nơi xa hơn, ánh sáng có thể không đủ để sạc pin, khiến các nhiệm vụ như Voyager 1 và Voyager 2 phải dùng năng lượng từ sự phân rã phóng xạ của plutonium-238. [1]

Khoảng cách không phải thách thức duy nhất. Tàu Parker Solar Probe bay rất gần Mặt Trời nên các tấm pin được đặt nghiêng, che chắn một phần và kết hợp với hệ thống làm mát. Thiết kế này cho thấy pin Mặt Trời không chỉ cần hấp thụ càng nhiều ánh sáng càng tốt; nó còn phải chịu được môi trường cụ thể mà con tàu đi qua. [1]

Các thiết kế mới thu ánh sáng thế nào?

Một hướng cải tiến là xếp nhiều vật liệu quang điện lên nhau. Perovskite, tên gọi của một nhóm khoáng vật, có thể hấp thụ tốt hơn một số bước sóng xanh và bổ sung cho silicon, vốn phù hợp hơn với các vùng ánh sáng đỏ. Khi phối hợp, các vật liệu có thể khai thác nhiều phần hơn của ánh sáng chiếu vào cùng một diện tích. Năm 2023, một số nhóm nghiên cứu độc lập đã tạo ra các tế bào perovskite-silicon thử nghiệm vượt mức hiệu suất 30 phần trăm; con số này không đại diện cho mọi tấm pin thương mại. [1]

Trong không gian, khối lượng và cách cất giữ cũng quan trọng không kém hiệu suất. NASA phát triển các mảng pin có thể cuộn lại khi phóng rồi bung ra trong quỹ đạo. Hệ thống này cho phép mang theo diện tích thu sáng lớn trong một khoang chật hẹp. Các mảng pin dạng cuộn đã được sử dụng trên nhiệm vụ DART, một số vệ tinh địa tĩnh thương mại và Trạm Vũ trụ Quốc tế. [1]

Nhìn từ bên ngoài, một tấm pin chỉ là bề mặt hứng sáng. Bên trong, nó đồng thời là vật liệu hấp thụ photon, cấu trúc phân tách điện tích và mạch dẫn electron. Từ dòng điện yếu trong thí nghiệm của Becquerel đến những mảng pin triển khai ngoài quỹ đạo, tiến bộ cốt lõi không nằm ở việc làm ánh sáng mạnh hơn, mà ở việc tổ chức tốt hơn năng lượng vốn đã có trong ánh sáng. [1]