Trái đất nhận rất nhiều năng lượng từ Mặt trời, khoảng 173 nghìn Terawatt ~ gấp 10.000 lần năng lượng mà dân số toàn cầu sử dụng. Và hiện nay chúng ta đã có thể tạo ra pin Mặt trời để chuyển hóa nguồn năng lượng này thành điện năng. Vậy tại sao vẫn chưa nhân rộng phương pháp này? Để trả lời câu hỏi này, trước tiên chúng ta hãy tìm hiểu nguyên lý hoạt động của pin Mặt trời.
Nguyên lý hoạt động của pin Mặt trời
Pin Mặt trời được cấu tạo từ nhiều đơn vị nhỏ gọi là Tế bào quang điện (TBQĐ). Loại TBQĐ thông dụng nhất được làm từ Silic, một chất bán dẫn, nguyên tố phổ biến thứ hai trên Trái đất. Một TBQĐ sử dụng hai lớp Silic khác nhau:
- Silic loại N mang một số tạp chất khiến chúng dư thừa các electron tự do.
- Silic loại P mang một số tạp chất khác khiến chúng thiếu electron để lại các lỗ trống.
Khi ghép 2 lớp này với nhau, các electron dư thừa ở lớp N bắt đầu di chuyển sang lấp đầy lỗ trống ở lớp P khiến 2 lớp này tích điện (lớp N là cực âm, lớp P là cực dương) và tạo thành trường điện từ.
Ánh sáng Mặt trời bản chất là các hạt rất nhỏ gọi là Photon. Khi va chạm với các nguyên tử silicon của các TBQĐ, nó có thể đánh bật một electron khỏi liên kết để lại lỗ trống. Electron mang điện tích âm và lỗ trống mang điện tích dương có thể tự do di chuyển. Nhưng bởi vì có trường điện từ P/N, Electron bị hút về mặt N và lỗ trống bị hút về mặt P. Các electron di động được thu thập tại lá kim loại ở đỉnh TBQĐ, từ đây, chúng đi vào mạch tiêu thụ và trở thành điện năng trước khi quay trở về lá nhôm ở mặt sau.
Mỗi TBQĐ chỉ có thể tạo ra ½ Vôn, nhưng bạn có thể mắc nối tiếp chúng để tạo ra hiệu điện thế cao hơn. 12 TBQĐ là đủ để sạc 1 chiếc điện thoại, trong khi đó cần rất nhiều cái để cấp điện cho một căn nhà. Electron là thứ di chuyển duy nhất trong TBQĐ và chúng quay về lắp vào lỗ trống. Chẳng có thứ gì hao mòn hay cạn kiệt nên TBQĐ có tuổi thọ tới hàng chục năm. Vậy tại sao chúng ta không sử dụng năng lượng Mặt trời trên quy mô toàn cầu?
Toàn cầu hóa năng lượng Mặt trời
Bỏ qua các yếu tố chính trị và lợi ích quốc gia từ nhiên liệu khí đốt. Chúng ta chỉ phân tích những thách thức về mặt vật lý và logic của năng lượng Mặt trời. Điều rõ ràng nhất là quang năng phân bố không đồng đều trên bề mặt Trái đất. Thậm chí một số khu vực rất ít hoặc không có quang năng nhất là vào những ngày âm u hoặc ban đêm. Nên việc quang năng hóa đòi hỏi một phương thức lưu trữ và truyền tải điện hiệu quả từ nơi nhiều ánh sáng tới nơi âm u.
Hiệu năng của TBQĐ chưa cao. Hầu hết thiết bị trên thị trường hiện nay chỉ có hiệu năng chuyển đổi từ 15-20%. TBQĐ có hiệu năng cao nhất chỉ có thể chuyển đổi 46% quang năng thành điện năng. Tiếp đến, chúng ta cần ngân sách để xây dựng cơ sở hạ tầng và một khoảng không gian lớn. Ước tính cần khoảng hàng chục tới hàng trăm nghìn km vuông.
Tuy nghe có vẻ nhiều thách thức nhưng không phải không thực hiện được, riêng sa mạc Sahara có diện tích tới 3 triệu dặm vuông với lượng quang năng vô cùng lớn. Trong khi đó, TBQĐ đang ngày càng tốt hơn, rẻ hơn và cạnh tranh với nguồn điện lưới. Có thể trong tương lai không xa toàn cầu hóa năng lượng Mặt trời sẽ trở thành hiện thực