Chúng ta thường nhìn thấy những tấm pin màu xanh đen trên mái nhà hoặc trên các cột đèn đường năng lượng mặt trời. Chúng nằm im lìm dưới nắng, nhưng bên trong đó là một “nhà máy tí hon” đang hoạt động cực kỳ sôi động ở cấp độ nguyên tử.
Hôm nay, hãy cùng VioEdu sử dụng kiến thức Vật lý để giải mã cách một tấm pin biến ánh nắng thành dòng điện nhé!
1. Silicon: “Viên gạch” của công nghệ bán dẫn
Để hiểu về pin mặt trời, trước hết ta phải nhìn vào bảng tuần hoàn hóa học. Nguyên liệu chính để làm ra tấm pin là Silicon (Si).
Một nguyên tử Silicon có số hiệu nguyên tử là 14. Điều này có nghĩa là nó có 14 electron quay xung quanh hạt nhân. Chúng được sắp xếp theo các lớp vỏ năng lượng:
- Lớp trong cùng: 2 electron.
- Lớp giữa: 8 electron.
- Lớp ngoài cùng (lớp hóa trị): 4 electron.
Trong trạng thái tinh khiết, mỗi nguyên tử Silicon sẽ nắm tay 4 người hàng xóm của nó để tạo thành một mạng lưới tinh thể rất bền vững. Lúc này, Silicon khá “lười biếng” và không dẫn điện tốt vì không có electron nào được tự do di chuyển.
2. Phép thuật của sự “Pha tạp” (Doping)
Để bắt Silicon dẫn điện, các nhà khoa học đã sử dụng một thủ thuật gọi là Doping (pha tạp chất). Họ tạo ra hai loại vật liệu riêng biệt :
- Silicon loại N (Negative – Âm): Người ta pha thêm một ít Phốt-pho (P). Phốt-pho có 5 electron lớp ngoài cùng. Khi đứng vào hàng ngũ của Silicon, nó bị dư ra 1 electron. Electron này bơ vơ, không có chỗ liên kết nên trở thành electron tự do.
- Silicon loại P (Positive – Dương): Người ta pha thêm Bo (B). Bo chỉ có 3 electron lớp ngoài cùng. Khi liên kết với Silicon, nó bị thiếu mất 1 chỗ, tạo thành một “Lỗ trống” (Hole).
3. Hiệu ứng Quang điện: Cuộc giải cứu các Electron
Điều kỳ diệu xảy ra khi ta ghép lớp N và lớp P lại với nhau. Tại mặt tiếp xúc, một Điện trường (Electric Field) sẽ được hình thành, đóng vai trò như một “cánh cổng một chiều”.
Quá trình sinh điện diễn ra như sau:
- Hấp thụ năng lượng: Ánh sáng mặt trời thực chất là cơn mưa của các hạt Photon. Khi ánh nắng chiếu vào tấm pin, các hạt Photon này sẽ va chạm với các electron trong tinh thể Silicon.
- Bứt phá: Nếu hạt Photon đủ mạnh (năng lượng lớn hơn “vùng cấm” – band gap), nó sẽ truyền năng lượng cho electron, giúp electron bứt ra khỏi liên kết hạt nhân và trở thành tự do.
- Di chuyển có hướng: Bình thường, electron sẽ chạy lung tung. Nhưng nhờ có điện trường tại mặt tiếp xúc P-N, các electron bị đẩy dồn về phía cực N (âm), còn các lỗ trống bị đẩy về phía cực P (dương).
- Tạo dòng điện: Khi chúng ta nối hai cực này bằng dây dẫn (ví dụ nối vào bóng đèn LED), các electron sẽ chạy từ cực N sang cực P qua dây dẫn để lấp vào các lỗ trống, tạo thành dòng điện một chiều (DC) làm sáng đèn.
4. Tại sao đèn vẫn sáng khi trời tối?
Tấm pin chỉ hoạt động khi có nắng. Vậy buổi tối lấy điện ở đâu? Đó là nhờ định luật bảo toàn năng lượng: Năng lượng không tự nhiên sinh ra hay mất đi, nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác.
Ban ngày, điện năng từ tấm pin sẽ được chuyển hóa thành Hóa năng và lưu trữ trong Pin Lithium (thường là loại LiFePO4 bền bỉ). Ban đêm, quá trình này đảo ngược, hóa năng lại biến thành điện năng để thắp sáng đèn đường.
5. Góc suy ngẫm
Mặc dù công nghệ đã rất phát triển, hiệu suất của các tấm pin mặt trời thương mại hiện nay thường chỉ đạt khoảng 18% – 22%. Phần lớn năng lượng ánh sáng vẫn bị lãng phí dưới dạng nhiệt hoặc phản xạ.
Đây chính là bài toán dành cho thế hệ trẻ tài năng của https://vioedu.edu.vn. Biết đâu trong tương lai, chính các em sẽ là những người tìm ra vật liệu mới thay thế Silicon để tạo ra những tấm pin đạt hiệu suất 100%?
Tại Hải Phòng, nếu bạn muốn trực tiếp trải nghiệm và kiểm chứng công nghệ này, có thể tham khảo đèn năng lượng mặt trời tại
- Website: https://phamducngoc.com
- Địa chỉ: 55B Đông Trung Hành, Hải An, Hải Phòng
Các sản phẩm ở đây đều được trang bị chuẩn chống nước IP65 trở lên, đảm bảo hoạt động bền bỉ dưới mọi điều kiện thời tiết khắc nghiệt của miền Bắc.