Tại sao các tấm pin mặt trời trên trạm không gian ISS lại có màu vàng, trong khi trên Trái đất chúng thường có màu đen hoặc xanh?
Theo Science ABC, nếu bạn đã từng thấy một tấm pin năng lượng mặt trời, thì có lẽ bạn sẽ nhận thấy nó thường có màu đen hoặc xanh. Tuy nhiên, các tấm pin năng lượng mặt trời gắn vào Trạm không gian quốc tế ISS lại có màu vàng. Lí do của sự khác biệt màu sắc này là gì, nó có ảnh hưởng đến hiệu suất trong việc khai thác năng lượng mặt trời không? Trước khi chúng ta đi sâu vào sự khác biệt giữa hai loại, hãy xem lại chức năng cơ bản của một tấm pin năng lượng mặt trời.
Cơ chế hoạt động của một tấm pin năng lượng mặt trời
Một tấm pin mặt trời hoạt động bằng cách khai thác năng lượng ánh sáng được phát ra từ Mặt trời. Nói chính xác hơn, một tấm pin mặt trời khai thác các photon phát ra từ ngôi sao gần nhất của chúng ta. Mặt trời của chúng ta là một lò phản ứng hạt nhân nhiệt hạch cực kỳ tốt và quá trình này bắt đầu bằng cách nung chảy Hydrogen thành Helium. Quá trình hợp hạch này giải phóng một lượng năng lượng cực lớn dưới dạng nhiệt và ánh sáng. Ánh sáng mà mặt trời phát ra bao gồm những gói năng lượng nhỏ được gọi là photon. Mất khoảng 8,5 phút để các photon này di chuyển từ Mặt trời đến Trái đất với khoảng cách xấp xỉ 149,6 triệu km.
Các photon "tấn công" Trái đất được chuyển thành điện trong một tấm pin mặt trời do Hiệu ứng quang điện (PV). Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên bởi Alexander Edmond Becquerel. Ở tuổi 19, khi thử nghiệm bạc clorua trong dung dịch axit, ông đã đặt hai điện cực bạch kim vào dung dịch và quan sát thấy rằng khi ánh sáng chiếu vào điện cực, điện áp được tạo ra giữa các điện cực. Các hiệu ứng quang điện và quang vontaic là tương tự nhau trong khái niệm cơ bản của chúng: khi tiếp xúc với ánh sáng, một lượng điện áp và dòng điện nhất định có mặt. Sự khác biệt chính xảy ra trong việc sử dụng thuật ngữ. Thuật ngữ hiệu ứng quang điện tử, thường được áp dụng trong trường hợp các electron cần được đẩy ra, trong khi đó thuật ngữ quang vontaic được sử dụng để mô tả điện tích kích thích trong một vật liệu nhất định.
Tấm pin năng lượng mặt trời xanh và đen
Các tấm pin mặt trời có màu xanh lam vì chúng được làm từ silicon hoặc đa tinh thể, được sử dụng để làm màng quang điện chính của tấm pin mặt trời. Màu xanh lam còn nổi bật hơn nhờ lớp phủ chống phản chiếu trên tấm pin. Lớp phủ chống phản chiếu này giúp cải thiện hiệu quả và khả năng hấp thụ của tấm pin. Tấm pin mặt trời màu đen còn được gọi là tấm đơn tinh thể, hiệu quả hơn, vì màu đen là chất hấp thụ tốt.
Silic sử dụng trong các tấm đa tinh thể được làm từ silicon thô đã được nấu chảy và đổ vào các khuôn, tạo ra hình dạng vuông. Quá trình này không điều chỉnh silicon một cách hoàn hảo, dẫn đến sự hình thành của nhiều tinh thể silicon riêng lẻ trong khuôn. Bản chất của các tinh thể silicon riêng lẻ cũng tạo ra vẻ lốm đốm, lấp lánh và màu xanh của các tấm đa tinh thể. Quá trình sản xuất tế bào đa tinh thể sử dụng ít chất thải và năng lượng hơn so với những gì cần thiết để sản xuất tế bào đơn tinh thể. Do đó, các tấm pin mặt trời đa tinh thể ít tốn kém hơn và được sử dụng rộng rãi hơn nhiều. Do chi phí sản xuất tấm pin mặt trời đa tinh thể thấp hơn, khoảng 90% các tấm pin mặt trời trên thị trường hiện nay là đa tinh thể. Nghĩa là, hầu hết các tấm pin năng lượng mặt trời sẽ có màu xanh lam. Silic được sử dụng để chế tạo các tấm pin mặt trời màu đen có độ tinh khiết rất cao (mặc dù sự liên kết của silicon tương tự như trong pin mặt trời đa tinh thể).
Các tấm pin năng lượng mặt trời màu vàng
Mặc dù các tấm pin mặt trời màu đen và màu xanh là hiệu quả nhưng Trạm vụ trụ ISS cần loại tấm pin năng lượng mặt trời tốt nhất vì đây là nguồn năng lượng duy nhất cho hoạt động của trạm. Người ta gọi chúng là các mảng pin năng lượng mặt trời (do hình dạng của chúng). Các mảng pin năng lượng mặt trời này chịu trách nhiệm hỗ trợ sự sống, các hệ thống điều khiển và tất cả các hệ thống khác trên ISS. NASA và các đối tác đã phát triển một phương pháp gắn các mảng năng lượng mặt trời trên một cái được gọi là "blanket". Blanket có thể gấp lại hoặc mở ra hoàn toàn. Khi mảng đạt đến quỹ đạo, bộ điều khiển mặt đất đã gửi các lệnh để triển khai "blanket" với kích thước đầy đủ của chúng. Một cơ chế điều khiển được sử dụng để xoay các mảng pin để chúng đối diện với mặt trời và cung cấp năng lượng tối đa cho trạm vũ trụ. Mỗi mảng pin năng lượng dài 34,13 m và rộng 11,8 m. Các mảng pin năng lượng mặt trời của trạm không gian cần phải được thay thế liên tục và nhiều tàu con thoi không gian có người lái đã được triển khai để đảm bảo lắp đặt lại chúng.
Hiện tại, có 4 bộ pin năng lượng mặt trời trên trạm ISS, nó tạo ra từ 84 đến 120 kilowatt điện, đủ để cung cấp năng lượng cho 40 ngôi nhà. Các mảng năng lượng mặt trời tạo ra nhiều năng lượng hơn mức cần thiết của trạm cùng một lúc, do đó luôn có một nguồn lượng năng lượng dồi dào để chạy các hệ thống và thí nghiệm của trạm bất cứ lúc nào.
Năng lượng bổ sung được tạo ra bởi các mảng năng lượng mặt trời được sử dụng để sạc cho pin dự trữ của trạm. Có những trường hợp xảy ra sự che phủ một phần hoặc toàn bộ các mảng mặt trời do bóng đổ của trái đất. Trong thời gian này, các mảng pin năng lượng không thu thập ánh sáng mặt trời, đó là khi vai trò của pin dự trữ được phát huy. Tóm lại, chúng ta có thể nói rằng, các mảng pin năng lượng mặt trời vàng này có thể không khả thi với người tiêu dùng bình thường nhưng với ISS thì khác, họ bắt buộc phải có các tấm pin cao cấp như vậy, vì chúng là nguồn năng lượng chính cho trạm.