Giới hạn Shockley-Queisser là gì?

Bạn đã biết, hiệu suất của tấm pin mặt trời được xác định bởi khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng có thể sử dụng. Nhưng thực tế, không phải tất cả ánh sáng mặt trời chiếu vào tấm pin đều có thể chuyển đổi thành điện năng. Giới hạn đó gọi là giới hạn Shockley-Queisser, hay còn gọi là giới hạn hiệu suất của tấm pin mặt trời.

Giới hạn hiệu suất về lý thuyết của tấm pin mặt trời

Giới hạn Shockley-Queisser (còn gọi là giới hạn hiệu suất, hay giới hạn cân bằng chi tiết) là giới hạn hiệu suất về lý thuyết của tấm pin mặt trời đơn lớp p-n. Giới hạn này được hai nhà khoa học là William Shockley và Hans-Joachim Queisser, tính toán, xác định và công bố vào năm 1961.

Giới hạn này được suy ra bằng cách phân tích sự cân bằng nhiệt động học giữa năng lượng hấp thụ từ Mặt trời và năng lượng mất đi bởi pin. Giới hạn lý thuyết được tính toán khi đó là khoảng 33%. Dĩ nhiên, công nghệ lúc đó chưa đủ phát triển để đạt hiệu suất khoảng 33%, mà chỉ cỡ 10%.

Ngày nay, các nhà nghiên cứu đang nỗ lực phát triển các tấm pin mặt trời đạt hiệu suất trên 20%. Các vật liệu chế tạo pin và cải tiến kỹ thuật cũng đang được nghiên cứu để giúp chúng ta vượt qua mức 33% với chi phí phải chăng.

Giới hạn hiệu suất này phụ thuộc vào khe năng lượng (E_G) của pin mặt trời, tính toán dựa trên các cơ chế tổn thất cơ bản của tấm pin, như tổn thất nhiệt, tổn thất quang phổ, tổn thất tái kết hợp bức xạ và tổn thất điện trở ký sinh. Đối với pin mặt trời đơn lớp, về lý thuyết, hiệu suất tối đa có thể đạt được là 33,7% với E_G tối ưu là 1,34 eV.

Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến giới hạn hiệu suất

Các yếu tố tổn thất trong pin mặt trời quyết định giới hạn hiệu suất cơ bản của chúng. Hiểu rõ các yếu tố tổn thất này là điều cần thiết để cải thiện hiệu suất pin mặt trời. Nhìn chung, có bốn tổn thất cơ bản không thể tránh khỏi được xem xét để tính toán giới hạn hiệu suất, được liệt kê dưới đây:

1. Tổn thất nhiệt: Tổn thất nhiệt xảy ra do bức xạ nhiệt phát ra từ chính tấm pin mặt trời. Khi nhiệt độ tấm pin tăng lên, bức xạ nhiệt cũng tăng lên, làm giảm hiệu suất đạt được.

2. Tổn thất quang phổ: Tổn thất quang phổ phát sinh từ sự không phù hợp giữa quang phổ mặt trời và đặc tính hấp thụ của vật liệu pin mặt trời. Tổn thất này chiếm khoảng một nửa tổn thất hiệu suất trong pin mặt trời. Chúng được phân loại thành hai loại:

● Tổn thất truyền dẫn: Các photon có năng lượng < khe năng lượng (E_G) của chất bán dẫn, không được tấm pin hấp thụ (nhưng vẫn đi xuyên qua), do đó không được chuyển đổi thành điện năng.

● Tổn thất nhiệt hóa: Các photon có năng lượng > khe năng lượng (E_G) kích thích các hạt mang điện. Các hạt mang điện bị kích thích với năng lượng dư thừa sẽ nguội đi, đến các cạnh của vùng dẫn và vùng hóa trị. Năng lượng dư thừa bị mất đi dưới dạng nhiệt, quá trình này gọi là nhiệt hóa.

3. Tổn thất tái kết hợp bức xạ: Trong tái kết hợp bức xạ, các electron quay trở lại vùng hóa trị để tái kết hợp với lỗ trống. Quá trình này gọi là tái kết hợp bức xạ vì một photon có năng lượng bằng khe năng lượng (E_G) được phát ra trong quá trình này. Sự tái kết hợp này dẫn đến giảm hiệu suất, vì các electron và lỗ trống không thể đóng góp vào dòng điện.

4. Tổn thất điện trở ký sinh: Trong mô hình mạch tương đương của pin mặt trời, có các điện trở nối tiếp (R_S) và điện trở song song (R_SH). R_S thể hiện tổn thất tại mối nối và tổn thất bên trong (ví dụ, tổn thất tại mối nối kim loại-bán dẫn). R_SH thể hiện dòng rò và đường dẫn tắt (ví dụ, lỗ nhỏ, ngắn mạch thiết bị). Để đạt hiệu suất tốt, bạn nên hướng đến giảm thiểu R_S và tối đa hóa R_SH.

Các yếu tố tổn thất bổ sung

Có một vài tổn thất bổ sung dẫn đến giảm hiệu suất của pin mặt trời. Tuy nhiên, các tổn thất này không được xem xét (được giả định bằng 0) trong các tính toán giới hạn hiệu suất.

1. Tái kết hợp không bức xạ: Nếu như tái kết hợp bức xạ giải phóng photon thì tái kết hợp không bức xạ xảy ra mà không phát ra photon. Có thể giảm thiểu tổn thất không bức xạ bằng cách chế tạo các thiết bị chất lượng tốt hơn (không có khuyết tật).

2. Hấp thụ không hoàn toàn: Hấp thụ không hoàn toàn trong pin mặt trời đề cập đến hiện tượng không phải tất cả photon chiếu tới đều được tấm pin mặt trời hấp thụ. Điều này có thể dẫn đến giảm hiệu suất vì ít cặp electron-lỗ trống được tạo ra, dẫn đến sản lượng điện thấp. Tuy nhiên, tổn thất này có thể giảm thiểu bằng cách tối ưu hóa độ dày và các chiến lược bẫy ánh sáng.

3. Tổn thất do phản xạ: Một phần ánh sáng chiếu tới bị phản xạ khỏi bề mặt của pin mặt trời trước khi được hấp thụ. Lớp phủ chống phản xạ thường được áp dụng để giảm phản xạ bề mặt và tăng cường khả năng hấp thụ.

4. Tổn thất tiếp xúc: Tổn thất tiếp xúc trong pin mặt trời đề cập đến sự không hiệu quả phát sinh do các điểm tiếp xúc điện, vốn rất cần thiết để trích xuất dòng điện được tạo ra. Điều này có thể được giảm thiểu bằng cách chọn các kim loại có độ dẫn điện tốt hơn làm điểm tiếp xúc.

Hiện nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu một số kỹ thuật và vật liệu để gia tăng hiệu suất của pin mặt trời, thậm chí là vượt qua giới hạn Shockley-Queisser. Hy vọng với sự phát triển của công nghệ, chúng ta sẽ sớm thấy được các tấm pin mặt trời đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao nhất.