Tại sao tấm pin mặt trời có màu xanh dương hoặc đen — Silicon và lớp phủ
Mục lục
Câu trả lời nhanh: Tấm pin mặt trời trông có màu xanh dương hoặc đen là do hai yếu tố: cấu trúc tinh thể của silicon và lớp phủ chống phản xạ bên trên nó. Silicon tinh thể phản xạ một phần lớn ánh sáng tới — khoảng 22% đối với một tấm wafer được đánh bóng trần — và kết cấu được khắc lên bề mặt cùng với lớp phủ SiNx đã giảm mức phản xạ đó xuống còn khoảng 4%, nhờ đó khoảng 96% ánh sáng đi vào lớp kính sẽ đến được tế bào quang điện. Màu sắc còn lại chính là ánh sáng không bị hấp thụ hoặc truyền qua. Silicon đa tinh thể có các ranh giới hạt nhìn thấy được, tán xạ ánh sáng khác với silicon đơn tinh thể, đó là lý do hai loại này hiển thị các sắc độ xanh dương khác nhau, và cũng là lý do một mô-đun toàn màu đen thường biểu thị một loại tế bào quang điện và cấu trúc lớp phủ cụ thể chứ không phải là lựa chọn thuần túy về mặt thẩm mỹ. Do đó, màu sắc là một chỉ báo tương đối về công nghệ tế bào quang điện.
Sản xuất mô-đun PV · bởi Jerry, Ooitech
Giới thiệu sản phẩm
Hãy hình dung một ngày trời trong.
Bạn đứng bên mép mái nhà và nhìn những hàng tấm pin mặt trời nằm im lìm dưới nắng. Ánh sáng mặt trời vốn là màu trắng, vậy mà những tấm pin ấy không trắng, không vàng kim, cũng không trong suốt.
Hầu hết chúng có màu xanh lam. Hoặc đen.
Và ở đây nảy ra một câu hỏi rất tự nhiên. Nếu tấm pin mặt trời tồn tại để hấp thụ ánh sáng mặt trời, vì sao chúng trông lại tối như vậy? Bản năng mách bảo ta rằng trắng là sáng nhất, bạc là bóng nhất, vàng kim trông giống mặt trời nhất. Nhưng những tấm pin thực sự tạo ra điện lại trông như những phiến kính xanh đen.
Là nhà cung cấp máy sản xuất tấm pin mặt trời và các giải pháp trọn gói dây chuyền sản xuất tấm pin mặt trời, Ooitech có thể cung cấp dây chuyền sản xuất cho các mô-đun toàn đen.
Điều này thực ra không phải về thẩm mỹ. Đó là cuộc thương lượng kỹ thuật kéo dài hàng thập kỷ giữa con người và ánh sáng mặt trời.
Silicon đa tinh thể xanh lam so với silicon đơn tinh thể đen
Chú thích: Màu xanh lam và đen của tấm pin mặt trời không phải là sơn đơn thuần. Đó là kết quả tổng hợp của cấu trúc tinh thể, màng chống phản xạ và hiệu suất hấp thụ ánh sáng.
Hãy bắt đầu từ một trải nghiệm thường ngày đơn giản. Mặc đồ đen dưới nắng hè cảm thấy nóng hơn. Mặc đồ trắng cảm thấy mát hơn. Quần áo trắng phản xạ nhiều ánh sáng ra ngoài. Quần áo đen hấp thụ nhiều ánh sáng hơn.
Tấm pin mặt trời hoạt động theo cùng cách. Với hầu hết đồ vật, bề mặt bóng đẹp trông có vẻ đẹp mắt. Với tấm pin mặt trời, phản xạ là lãng phí. Khi một tia nắng chiếu vào tấm pin rồi bật trở lại bầu trời, nó không bao giờ trở thành điện. Chỉ ánh sáng đi vào bên trong silicon mới có cơ hội đánh thức các electron và tạo thành dòng điện. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cũng nói rõ điều này: lớp silicon hấp thụ ánh sáng, các electron bị kích thích, và khi chúng di chuyển, chúng tạo ra dòng điện.
Vậy nên ngay từ đầu, tấm pin mặt trời không muốn có màu trắng. Màu trắng nói rằng: "Ánh sáng mặt trời đã đến, và tôi trả nó lại cho bầu trời." Màu xanh đen nói rằng: "Ánh sáng mặt trời đã đến, và tôi giữ lại càng nhiều càng tốt."
Thông số kỹ thuật
Vì sao rất nhiều tấm pin cũ có màu xanh lam?
Điều này bắt nguồn từ một loại tấm pin rất phổ biến trong quá khứ: silicon đa tinh thể.
Silicon đa tinh thể không phải là một tinh thể hoàn hảo duy nhất. Nó là nhiều hạt nhỏ xếp lại với nhau. Hãy nghĩ đến mặt hồ đóng băng, đầy những vân băng nứt. Mỗi hạt hướng theo một phương hơi khác nhau. Ánh sáng mặt trời chiếu vào phản xạ trở lại mỗi nơi một khác. Đó là lý do các tấm pin đa tinh thể thường trông xanh lam hoặc xanh đậm, với bề mặt mang chút vân nứt, vân băng, ánh kim.
Vậy nên màu xanh lam của silicon đa tinh thể không phải là sơn. Nó giống như kết cấu của các tinh thể silicon hiện ra dưới nắng hơn.
Nhưng màu xanh lam không chỉ đến từ tinh thể. Có một lớp rất mỏng trên bề mặt tấm pin gọi là lớp phủ chống phản xạ. Thuật ngữ nghe có vẻ kỹ thuật, nhưng rất dễ hiểu. Khi bạn đeo kính, một số tròng kính có ánh phản chiếu xanh tím hoặc xanh lá mờ nhạt (màn hình điện thoại bạn đang nhìn cũng vậy). Lớp màng đó không phải để trang trí. Nó giảm phản xạ để nhiều ánh sáng đi qua tròng kính hơn.
Tấm pin cũng vậy. Bản thân silicon thực ra khá phản xạ. Nếu không xử lý, một phần ánh sáng mặt trời sẽ bật thẳng ra khỏi bề mặt tấm wafer. Vì vậy các kỹ sư tạo nhám bề mặt wafer và phủ một lớp chống phản xạ để nhiều ánh sáng đi vào silicon hơn. Khi DOE mô tả quy trình sản xuất mô-đun silicon tinh thể, việc phủ lớp chống phản xạ lên mặt trước của cell được liệt kê là một trong các bước sản xuất cell.
Ảnh kính hiển vi điện tử quét bề mặt wafer
Chú thích: Dưới kính hiển vi, bề mặt wafer không phải là một mặt phẳng nhẵn mà là một cánh đồng dày đặc những kim tự tháp tí hon. Kết cấu này cắt giảm phản xạ và giữ nhiều ánh sáng mặt trời hơn bên trong wafer.
| Hạng Mục | Chi tiết |
|---|---|
| Khả năng hấp thụ của silicon đa tinh thể (tạo nhám + lớp phủ chống phản xạ) | khoảng 93%–97% ánh sáng mặt trời |
| Khả năng hấp thụ của silicon đen | hơn 98% ánh sáng tới |
| Tỷ lệ đơn tinh thể trong lượng mô-đun xuất xưởng (2022) | 96% |
| Hiệu suất mô-đun thực tế điển hình | khoảng 20%–22% |
| Pin silicon thực tiễn đầu tiên (1954, Bell Labs) | hiệu suất khoảng 6% |
Bạn có thể coi lớp phủ chống phản xạ như một lối vào nhẹ nhàng. Nếu chênh lệch quang học giữa không khí và silicon quá đột ngột, ánh sáng dễ bật trở lại. Nếu có một lớp chuyển tiếp ở giữa, ánh sáng lọt vào wafer dễ dàng hơn. Vật liệu silicon đen của NREL có một câu rất hợp logic này: phản xạ ít hơn nghĩa là hấp thụ nhiều hơn, nghĩa là hiệu suất cao hơn và nhiều điện năng hơn. Tạo nhám tiêu chuẩn và các lớp chống phản xạ đã cho phép một cell hấp thụ khoảng 93%–97% ánh sáng mặt trời, trong khi quy trình silicon đen cho phép một wafer hấp thụ hơn 98% ánh sáng tới, đó là lý do nó trông đen. Điều này nói rõ một điều: tấm pin càng muốn hiệu suất cao, nó càng không thể phản xạ nhiều ánh sáng.
Màu xanh lam là chút ánh sáng còn sót lại từ silicon đa tinh thể thời kỳ đầu và màng chống phản xạ của nó. Màu đen là hình dáng của silicon khi nó đã học được cách ăn ánh sáng.
Ưu Điểm Kỹ Thuật
Về sau, tấm pin đen ngày càng trở nên phổ biến
Đằng sau đó là một nhân vật chính khác: silicon đơn tinh thể.
Silicon đơn tinh thể giống một khối duy nhất với một hướng đồng nhất và cấu trúc gọn gàng hơn. Nó không mang kết cấu nứt vỡ của silicon đa tinh thể, nên bề mặt trông đều hơn, sâu hơn và gần với màu đen hơn.
Nếu silicon đa tinh thể giống một tấm băng nứt xanh lam, thì silicon đơn tinh thể giống một mảnh đá obsidian.
Nhiều mái nhà dân dụng hiện nay ưa chuộng các mô-đun toàn đen. Nhìn từ xa, chúng không trông như những lưới linh kiện công nghiệp. Chúng trông giống những tấm kính đen được xếp ngay ngắn hơn. Dữ liệu của DOE cho thấy đến năm 2022, silicon đơn tinh thể đã chiếm 96% lượng mô-đun mặt trời xuất xưởng toàn cầu, trở thành vật liệu hấp thụ phổ biến nhất trong các mô-đun ngày nay, và các mô-đun sản xuất công nghiệp thường đạt hiệu suất thực tế khoảng 20%–22%.
Vậy nên màu đen không chỉ là chuyện trông cao cấp. Đằng sau nó là những tinh thể đồng nhất hơn, sản xuất chín muồi hơn, phản xạ thấp hơn và một con đường hấp thụ ánh sáng hiệu quả hơn.
Cấu trúc tinh thể đồng nhất hơn với silicon đơn tinh thể
Phản xạ bề mặt thấp hơn, giữ nhiều ánh sáng hơn bên trong
Khả năng hấp thụ cao hơn, lên đến hơn 98% với silicon đen
Vẻ ngoài toàn màu đen sạch sẽ hơn, được ưa chuộng trên các mái nhà hiện đại
Sản xuất trưởng thành, chi phí thấp, phù hợp để triển khai đại trà
Ứng Dụng Sản Phẩm
Quay lại lịch sử của năng lượng mặt trời
Năm 1954, Bell Labs đã trình diễn pin mặt trời silicon thực tiễn đầu tiên. Hiệu suất của nó chỉ khoảng 6%. Theo tiêu chuẩn ngày nay, 6% có vẻ thấp, nhưng vào thời điểm đó, nó đủ để làm quay một món đồ chơi nhỏ, và đủ để lần đầu tiên khiến người ta tin rằng ánh sáng mặt trời có thể làm được nhiều hơn là phơi khô quần áo và sưởi ấm làn da. Nó có thể chuyển trực tiếp thành điện năng. Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ cũng ghi lại lịch sử này: Bell Labs đã trình diễn pin mặt trời silicon thực tiễn đầu tiên vào ngày 25 tháng 4 năm 1954, với các pin silicon thời kỳ đầu có hiệu suất khoảng 6%.
Ảnh lịch sử về pin mặt trời Bell Labs năm 1954
Chú thích: Các pin mặt trời silicon thời kỳ đầu không hiệu quả lắm, nhưng chúng đã mở ra cánh cửa cho quang điện hiện đại.
Nó giống như một khởi đầu. Những pin đầu tiên rất đắt, nhỏ bé, và giống như một món đồ chơi tương lai từ phòng thí nghiệm. Rồi chúng đi vào không gian. Một vệ tinh không thể mang theo than và không thể thay pin mỗi ngày, nên pin mặt trời trở thành nguồn năng lượng tốt nhất của nó. Sau đó, các tấm wafer được cắt mỏng hơn, quy trình trưởng thành hơn, chi phí giảm xuống. Những mảnh mỏng màu xanh đen từng chỉ thuộc về phòng thí nghiệm và tàu vũ trụ dần lan ra khắp các sa mạc, nhà máy, trường học, nhà để xe và mái nhà thông thường.
Màu sắc cũng thay đổi theo thời gian. Từ loại poly silicon xanh phổ biến thời kỳ đầu đến mono silicon đen ngày càng phổ biến hiện nay, có vẻ chỉ như một sắc thái đậm hơn. Nhưng đằng sau đó là cả chuỗi cung ứng đang tiến về phía trước.
Ít phản xạ hơn. Hấp thụ nhiều hơn. Hiệu suất cao hơn. Chi phí thấp hơn. Phù hợp hơn cho triển khai quy mô lớn. Và màu sắc ngày càng tối hơn.
Các module đen trên một mái nhà hiện đại
Chú thích: Các ngôi nhà hiện đại ngày càng sử dụng module đen hoặc toàn đen. Chúng trông gọn gàng hơn và phản ánh sự trưởng thành của silicon đơn tinh thể và thiết kế giảm phản xạ.
Pin có thể có màu đỏ, xanh lá hoặc vàng không?
Tất nhiên là có.
Quang điện tích hợp vào công trình đã có rất nhiều module màu. Các tòa nhà thành phố không phải lúc nào cũng muốn một bức tường kính đen, nên các kỹ sư sử dụng lớp phủ đặc biệt, kết cấu và lớp bọc để biến pin thành màu xám, đỏ gạch, xanh lá, thậm chí gần với tông màu của một bức tường rèm thông thường.
Nhưng cái giá phải trả là trực tiếp. Bạn thấy nó màu đỏ vì nó phản xạ một phần ánh sáng đỏ trở lại mắt bạn. Bạn thấy nó màu xanh lá vì nó phản xạ một phần ánh sáng xanh lá trở lại. Và ánh sáng phản xạ không bao giờ đi vào cell để tạo ra điện. Điều đó có nghĩa là mất doanh thu và hiệu suất phát điện thấp hơn. Quang điện màu không phải là không thể. Nó chỉ cần một sự thương lượng mới giữa vẻ ngoài và hiệu suất.
Một màu sắc đẹp hơn không làm nên một tấm pin tốt hơn. Thiết kế kỹ thuật trưởng thành thường không chọn phương án hào nhoáng nhất, mà chọn phương án đáng tin cậy nhất, hiệu quả nhất và tiết kiệm chi phí nhất trong dài hạn.
Liên hệ và mua hàng
Vậy hãy nhìn lại mảng xanh đen đó trên mái nhà
Không phải pin mặt trời tình cờ trông như thế này. Đó là kết quả được sàng lọc bởi vật liệu silicon, cấu trúc tinh thể, màng chống phản xạ, chi phí sản xuất và hiệu suất phát điện cùng nhau.
Màu xanh không phải là trang trí. Màu đen không phải là thị hiếu.
Đó là tấm pin đang nói với bạn rằng nó không muốn trả ánh sáng mặt trời lại cho bầu trời. Nó muốn giữ lại ánh sáng, đánh thức các electron, và biến những photon vô hình thành dòng điện hữu hình. Mặt trời rơi qua những đám mây và đáp xuống mảng xanh đen im lặng đó. Không gầm rú, không ống khói, không ngọn lửa. Chỉ là ánh sáng đi vào silicon, các electron bắt đầu chuyển động, dòng điện chảy dọc theo những ngón tay kim loại mỏng về phía một nơi xa xăm.
Trong khoảnh khắc đó, một tấm pin mặt trời giống như một trang giấy đen được mặt trời viết kín. Và những gì con người đọc được trên đó là một câu trả lời nhỏ bé giản dị.
Để bắt thêm một chút ánh sáng mặt trời, silicon đã khoác lên mình màu xanh đen.
Quan điểm của Ooitech
Sự chuyển dịch từ poly xanh sang mono toàn đen không chỉ là một xu hướng màu sắc, mà là một câu chuyện sản xuất về việc ép phản xạ xuống gần bằng không. Về phía module, chúng tôi thấy điều đó mỗi ngày: các cell mono đồng nhất, kết cấu chặt chẽ và lớp ép sạch sẽ là những gì làm cho một tấm pin toàn đen trông sắc nét mà vẫn hoạt động tốt. Nếu bạn muốn xem những module đen này thực sự được chế tạo như thế nào trên một dây chuyền thực tế, kênh YouTube của chúng tôi tại www.youtube.com/ooitech sẽ cho thấy xưởng sản xuất cận cảnh, và rất đáng để đăng ký nếu bạn quan tâm đến sản xuất năng lượng mặt trời.
