Công Nghệ Pin Mặt Trời 2020

Với hàng trăm tấm pin mặt trời khác nhau trên thị trường, thật khó để những người không trong ngành xác định được tấm pin chất lượng sẽ hoạt động trong vòng 25 năm như dự kiến vòng đời của hệ thống điện mặt trời. Đến nay, các nhà sản xuất tấm pin mặt trời hàng đầu đã sử dụng các cải tiến mới nhất để các tấm pin mặt trời hoạt động hiệu quả và ổn định với tuổi thọ dài nhất và hiệu suất cao nhất. Dưới đây là các công nghệ pin mặt trời đã được các nhà sản xuất nghiên cứu và sử dụng phổ biến hiện nay.

Những công nghệ tế bào quang điện mới nhất

Hầu hết các nhà sản xuất tấm pin mặt trời cung cấp một loạt các dòng sản phẩm bao gồm các loại đơn tinh thể (Mono) và đa tinh thể (Poly) với các xếp hạng công suất và điều kiện bảo hành khác nhau. Hiệu quả của các tấm pin năng lượng mặt trời (Solar panels) đã tăng đáng kể trong vài năm qua do nhiều tiến bộ trong công nghệ tế bào quang điện (Solar Cells) bao gồm:

PERC – Passivated Emitter Rear Cell

Bifacial – Dual sided panels and cells

Multi Busbar – Multi ribbon and wire busbars

Split panels – using half cut cells

Shingled Cells – Overlapping cells

IBC – Interdigitated Back Contact cells

HJT – Heterojunction cells

Dual Glass – Frameless double glass

 

5 loại pin mặt trời chính sử dụng các công nghệ tế bào quang điện mới nhất

Dưới đây sẽ giải thích chi tiết về những cải tiến về công nghệ tế bào quang điện giúp nâng cao hiệu suất, khả năng giảm ảnh hưởng của che bóng và tăng độ tin cậy, với nhiều nhà sản xuất cung cấp bảo hành lên đến 25 năm và bảo hành hiệu suất 25-30 năm.

Hiệu suất của tấm pin mặt trời

Hiệu suất của tấm pin mặt trời là một trong các yếu tố quan trọng cần được xem xét. Nó phụ thuộc vào loại tế bào quang điện và cấu hình tế bào. Hiệu suất trung bình của tấm pin đã tăng đáng kể trong những năm gần đây từ khoảng 15% đến gần 20%, nhờ vào các nhà sản xuất đã áp dụng công nghệ và cải tiến mới nhất của tế bào quang điện.

Tế bào đơn tinh thể (Monocrystalline) và tế bào đa tinh thể (Polycrystalline)

Đã có những ý kiến trái chiều kéo dài về sự vượt trội công nghệ tế bào giữa các tế bào silicon đơn tinh thể và đa tinh thể. Các tế bào đơn tinh thể (mono) sẽ hiệu quả hơn vì chúng được cắt từ một tinh thể đơn sắc, nhưng để sản xuất chúng cũng đắt hơn. Trong quá khứ, vì chi phí cao hơn nên công nghệ đa tinh thể trở thành loại tế bào ưa thích được sử dụng. Tuy nhiên, trong 2 năm qua, chi phí của các tấm mono giảm đáng kể và hầu hết các nhà sản xuất hiện đã chuyển trở lại sử dụng các tế bào đơn sắc.

Các tế bào đa tinh thể thường được được tạo ra từ một miếng silicon tạo thành từ nhiều tinh thể gộp lại. Nhờ đó, chi phí để sản xuất sẽ rẻ hơn nhưng lại cung cấp hiệu quả thấp hơn một chút so với đơn tinh thể. Các tế bào poly vẫn được sử dụng rộng rãi và rất đáng tin cậy, nhưng như được giải thích ở trên, các tế bào đơn tinh thể được coi là vượt trội hơn do hiệu suất cao hơn và chi phí sản xuất được tối ưu.

Tế bào đơn tinh thể đúc (Cast mono cells)

Các tế bào đơn tinh thể đúc được tạo ra bằng cách sử dụng quy trình sản xuất đúc tương tự như các tế bào đa tinh thể. Quá trình đúc ít tốn năng lượng giúp giảm chi phí sản xuất các tế bào đơn, tuy nhiên các tế bào đơn tinh thể đúc không hoàn toàn hiệu quả như các tế bào đơn tinh thể thông thường. Các tế bào đơn tinh thể đã xuất hiện được một thời gian nhưng chỉ gần đây mới được một số nhà sản xuất tấm pin lớn như Jinko, GCL & Canadian Solar áp dụng.

Các tế bào mono thường có màu đen sẫm với hoa văn kim cương, trong khi các tế bào poly có hình vuông, xuất hiện màu xanh lam. Cast mono có màu đen với cạnh vuông giống như các ô poly.

Tại sao tế bào đơn tinh thể hiệu quả hơn?

Những lợi ích vốn có của silic đơn tinh thể là do cấu trúc tinh thể đồng nhất không có ranh giới tinh thể và tạp chất thấp hơn thông qua quy trình sản xuất czochralski độc đáo. Các tế bào đơn sắc có tốc độ suy giảm cảm ứng ánh sáng (LID) thấp hơn và cũng có hệ số nhiệt độ tốt hơn một chút như được giải thích chi tiết hơn dưới đây. So sánh, các tế bào đa tinh thể có ranh giới tinh thể rất nhỏ nhưng được xác định có thể đóng vai trò là ngăn trở và làm giảm hiệu quả.

Hiệu suất nhiệt độ cao

Các tế bào đơn tinh thể (Mono) có hệ số nhiệt độ tế bào thấp hơn, dẫn đến hiệu suất cao hơn ở nhiệt độ cao. Hệ số nhiệt độ công suất là lượng mất điện khi nhiệt độ cell pin tăng. Tất cả các cell pin và tấm pin mặt trời được đánh giá bằng các điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (STC – được đo ở 25 ° C) và từ từ giảm sản lượng điện khi nhiệt độ tế bào tăng. Nói chung, nhiệt độ cell cao hơn nhiệt độ không khí xung quanh từ 20 đến 35 độ C, tương đương với việc giảm công suất điện năng 8-14%. Các tế bào đơn tinh thể có tổn thất thấp hơn do nhiệt độ trung bình (hoặc mất) nhiệt độ trung bình khoảng -0,38% mỗi ° C trong khi các tế bào đa tinh thể cao hơn một chút ở mức -0,41% mỗi ° C.

Các tế bào IBC đơn tinh thể được mô tả chi tiết hơn dưới đây có hệ số nhiệt độ thấp hơn nhiều là -0,30% mỗi ° C. Cho đến nay, các tế bào hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ cao là các tế bào HJC từ Panasonic mà chúng tôi mô tả trong phần cuối của bài viết này.

 

PERC – Passivated Cells (Các tế bào thụ động)

Trong hai năm qua, PERC đã nổi lên như là công nghệ ưa thích của nhiều nhà sản xuất trong cả tế bào đơn tinh thể và đa tinh thể. PERC là viết tắt của ‘Passivated Emitter and Rear Cell – Bức xạ thụ động và tế bào mặt sau‘, là một cấu trúc tế bào tiên tiến hơn sử dụng các lớp bổ sung ở phía sau của tế bào để hấp thụ nhiều photon ánh sáng hơn và tăng hiệu suất lượng tử. Một công nghệ PERC phổ biến là Al-BSF cục bộ (mặt sau bằng nhôm) (xem sơ đồ bên dưới). Tuy nhiên, một số thay đổi khác đã được phát triển như PERT (mặt sau bức xạ thụ động khuếch tán hoàn toàn) và PERL (Bức xạ thụ động và mặt sau khuếch tán cục bộ).

Giám đốc the Australian Centre for Advanced Photovoltaics tại UNSW, Giáo sư Martin Green đã phát minh ra khái niệm PERC hiện đang được sử dụng rộng rãi bởi nhiều nhà sản xuất năng lượng mặt trời hàng đầu trên thế giới.

 

Công nghệ PERC mặt sau là lớp Al-BSF cục bộ

Q-cell là những nhà sản xuất đầu tiên kết hợp công nghệ PERC vào các tế bào mulitcrystalline nhưng sử dụng tên Q.antum cho phạm vi mô-đun PERC của họ. Jinko Solar gần đây đã phá vỡ kỷ lục hiệu suất tấm năng lượng mặt trời với 22,04% được ghi nhận từ một tế bào silicon loại P đa tinh thể kích thước tiêu chuẩn. Các tế bào Mono PERC hiện là loại tế bào phổ biến và hiệu quả nhất với hầu hết các nhà sản xuất bao gồm Jinko Solar, Trina Solar, Q-cell, LONGi Solar, Risen và JA Solar đều sử dụng cấu trúc tế bào PERC.

 

 

Multiple / Wire Busbars

Các thanh dẫn phụ (Fingers) kim loại nhỏ màu bạc trên mỗi tế bào chuyển dòng điện tới 5 thanh dẫn chính Busbars

Busbars là các dây hoặc băng kim loại mỏng chạy xuống từng cell pin và dẫn các electron ra mạch ngoài tạo thành dòng điện. Khi các tế bào PV trở nên hiệu quả hơn, chúng càng tạo ra nhiều dòng điện hơn và trong những năm gần đây, hầu hết các nhà sản xuất đã chuyển từ 3 Busbars sang 5 hoặc 6 Busbars ( được viết tắt : 3BB, 5BB,6BB). Một số nhà sản xuất như LG Energy, REC, Trina và Canadian Solar đã tiến thêm một bước và phát triển hệ thống nhiều thanh cái (MBB) sử dụng tối đa 12 hoặc 16 dây tròn rất mỏng thay vì Busbars phẳng. Vấn đề với Wire Busbars phẳng  truyền thống là chúng che một phần của tế bào làm giảm một phần hiệu suất. Mặt khác, nhiều busbars dây tròn cho điện trở thấp hơn và đường đi ngắn hơn để các electron di chuyển dọc theo các fingers (thanh dẫn phụ), dẫn đến hiệu suất cao hơn.

Nếu vết nứt trên cell pin xảy ra do va chạm, tải nặng hoặc người đi bộ trên mặt tấm pin, nhiều Busbar giúp giảm khả năng các vết nứt phát triển thành điểm nóng (Hot-spot) khi chúng cung cấp các đường dẫn thay thế cho dòng điện.

 

Split Panels ( Sử dụng tế bào phân nửa – Half-cut cells)

Một cải tiến gần đây là sử dụng half-cut cell (Hafl-cut cell sử dụng phương pháp cắt cell truyền thống ra hai phần bằng nhau thông qua tia laser) thay vì các cell pin truyền thống và di chuyển hộp đấu nối đến phần giữa của tấm pin. Nó phân chia tấm pin mặt trời thành 2 bảng nhỏ hơn với công suất 50% trên mỗi bảng và hoạt động song song với nhau. Điều này có rất  nhiều lợi ích như hiệu suất tăng do tổn thất điện trở khi qua các busbar thấp hơn. Vì mỗi Half-cut cell, nó tạo ra một nửa dòng điện ở cùng một điện áp, giúp cho chiều rộng của thanh cái có thể giảm đi một nửa và nhờ đó làm giảm che bóng và tổn thất của cell pin. Dòng điện thấp hơn cũng giúp nhiệt độ cell pin thấp hơn, từ đó làm giảm sự hình thành nguy cơ và ảnh hưởng của các điểm nóng (hot-spot) do ảnh hưởng che bóng một phần, bụi bẩn hoặc các vết nứt tại cell pin.

Ngoài ra, khoảng cách ngắn hơn để dẫn dòng điện đến hộp đấu nối tại chính giữa của tấm pin mặt trời giúp cải thiện hiệu suất tổng thể cho phép tăng sản lượng của tấm pin mặt trời có kích thước tương tự lên đến 20W. Một lợi ích khác là nó cho phép che bóng một phần ở phần trên hoặc phần dưới của tấm pin mà không ảnh hưởng đến toàn bộ công suất đầu ra của tấm pin mặt trời.

BiFacial Solar Modules – Môđun năng lượng mặt trời hai mặt

Công nghệ năng lượng mặt trời Bifacial (có hai mặt) đã có sẵn trong vài năm nhưng bắt đầu trở nên phổ biến vì chi phí để sản xuất các tế bào đơn tinh thể chất lượng rất cao và càng giảm dần. Các Bifacial cells hấp thụ ánh sáng từ cả hai phía của tấm pin và với cùng vị trí và điều kiện có thể tạo ra năng lượng nhiều hơn tới 27% so với các tấm pin đơn tinh thể (Mono) truyền thống. Các tấm pin mặt trời Bifacial thường sử dụng mặt trước bằng kính và tấm nền polymer mặt sau trong suốt để bao bọc các tế bào quang điện cho phép ánh sáng phản xạ đi vào từ mặt sau của tấm pin năng lượng mặt trời.

Các mô-đun Bifacial cũng có thể sử dụng mặt sau bằng kính dày hơn để có thể giảm đáng kể nguy cơ hư hỏng, với một số nhà sản xuất hiện cung cấp bảo hành hiệu suất 30 năm trên các loại tấm pin Bifacial .

 

Các mô-đun Bifacial cũng hấp thụ năng lượng ánh sáng phản xạ tại mặt sau của các tế bào

Các tấm pin mặt trời Bifacial chỉ được sử dụng tại các vị trí lắp đặt trên mặt đất nơi có ánh sáng mặt trời dễ bị dội lại hoặc phản xạ khỏi các bề mặt xung quanh, đặc biệt là các khu vực dễ bị tuyết và vĩ độ khắc nghiệt. Mặc dù chúng đã được chứng minh là hoạt động tốt khi được lắp đặt trên bề mặt cát nhẹ và cũng có thể đạt được sản lượng cao hơn tới 10% ngay cả trên mái nhà màu sáng khi nghiêng. Các nhà sản xuất sản xuất các tấm pin mặt trời hai chiều bao gồm Jinko Solar, LG energy, Trina Solar và Yingli Solar.

Dual Glass Panels – Tấm pin mặt trời hai mặt kính

 Nhiều nhà sản xuất hiện đang sản xuất các tấm pin mặt trời Dual glass với hai mặt kính đôi và không nên nhầm lẫn với công nghệ Bifacial. Mặt kính mặt sau thay thế cho tấm nền trắng (nhựa) truyền thống và tạo ra một chiếc bánh sandwich 2 mặt kính được coi là vượt trội vì mặt kính rất ổn định, không phản ứng và không bị hư hỏng theo thời gian hoặc bị suy thoái UV. Do tuổi thọ của các tấm kính thủy tinh dài hơn, một số nhà sản xuất như Jinko solar, GCL và Trina Solar hiện đang cung cấp bảo hành hiệu suất 30 năm.

Frameless Panels – Tấm pin không khung

Nhiều tấm pin mặt trời Dual glass cũng không có khung nhôm có thể làm việc lắp đặt tấm pin phức tạp hơn vì cần có hệ thống kẹp đặc biệt. Tuy nhiên, các mô-đun không khung có các lợi thế đặc biệt liên quan đến việc làm sạch, không có khung để bắt bụi bẩn, các mô-đun không khung khi nghiêng hoặc phẳng dễ dàng để vệ sinh bề mặt hơn và có xu hướng sử dụng gió và mưa tự nhiên để tự làm sạch nhờ đó cho sản lượng mặt trời lớn và ổn định hơn. Tuy nhiên, không có sức mạnh của một tấm kính đôi khung nhôm, mặc dù bền hơn, không cứng và có thể uốn cong hoặc cung, đặc biệt là khi gắn phẳng hoặc ngang.

Shingled Cells

 Các Shingled Cells là một công nghệ mới, sử dụng phương pháp chồng chéo các dải tế bào mỏng có thể được lắp ráp theo chiều ngang hoặc chiều dọc trên tấm pin. Shingled cell được tạo ra bằng cách cắt laser một tế bào kích thước đầy đủ bình thường thành 5 hoặc 6 dải và xếp chúng theo cấu hình ván lợp bằng cách sử dụng keo kết nối phía sau.   Sự chồng chéo mỏng của từng dải tế bào ẩn một busbar duy nhất kết nối các dải tế bào. Thiết kế độc đáo này bao phủ nhiều diện tích bề mặt bảng điều khiển hơn vì nó không yêu cầu các kết nối busbar phía trước che một phần tế bào, do đó làm tăng hiệu quả của tấm pin giống như các tế bào IBC được giải thích dưới đây.

Một lợi ích khác là các Shingled Cells dài thường được kết nối song song, giúp giảm đáng kể hiệu ứng đổ bóng với mỗi tế bào dài hoạt động độc lập hiệu quả. Ngoài ra các Shingled Cells tương đối rẻ để sản xuất vì vậy chúng có thể là một lựa chọn hiệu suất cao rất hiệu quả về mặt chi phí, đặc biệt nếu che bóng một phần là một vấn đề.

 

N-Type Solar Cells hiệu suất cao

Trong khi PERC và Bifacial là những nghiên cứu càng dành được nhiều sự quan tâm, công nghệ đáng tin cậy và hiệu quả nhất vẫn là tế bào đơn tinh thể loại N. Loại pin mặt trời đầu tiên được phát triển vào năm 1954 bởi các phòng thí nghiệm của Bell đã sử dụng wafer silicon pha tạp loại N nhưng theo thời gian, silicon loại P hiệu quả hơn về chi phí đã trở thành loại tế bào thống trị với hơn 80% thị trường toàn cầu năm 2017 sử dụng Cell- loại P. Với khối lượng lớn và chi phí thấp là yếu tố thúc đẩy chính đằng sau loại P, dự kiến loại N sẽ trở nên phổ biến hơn khi chi phí sản xuất giảm hơn nữa và hiệu suất tăng lên.

 

Các tế bào loại N với lớp nền bằng đồng chắc chắn đạt hiệu suất cực cao trên 22%

Công nghệ tế bào quang điện IBC

Tế bào quang điện IBC (Interdigitated Back Contact) là một mạng lưới dây dẫn có từ 30 dây dẫn trở lên được tích hợp vào phía sau của Cell pin, không giống như các cell pin tiêu chuẩn thường có 4 đến 6 Busbars có thể nhìn thấy lớn và nhiều đường dẫn phụ fingers ở mặt trước của cell pin. Vấn đề thường thấy nhất với thiết kế busbars phía trước phổ biến hơn là chúng che một phần tế bào và phản xạ một số photon ánh sáng làm giảm hiệu suất, trong khi các tế bào IBC không gặp phải vấn đề này.

Heterojunction – HJT Cells

Sau công việc phát triển HJT ban đầu tại UNSW và Sanyo, Panasonic đã tạo ra loạt tấm pin ‘HIT’ hiệu quả và là công ty hàng đầu trong công nghệ tế bào HJT trong nhiều năm. Tuy nhiên, REC group vừa phát hành các tấm pin Alpha series mới sử dụng các tế bào HJT với 16 busbar nhỏ để đạt được hiệu suất ấn tượng 21,7%.

Pin mặt trời HJT sử dụng trên cơ sở silic tinh thể thông thường với các lớp silic thin film bổ sung ở hai bên của tế bào tạo thành heterojunction (dị hợp). Trái ngược với các tế bào tiếp giáp P-N thông thường, các tế bào dị hợp nhiều lớp có khả năng tăng hiệu quả mạnh mẽ với thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đạt hiệu quả lên tới 26,5% khi kết hợp với công nghệ IBC.