Tế bào quang điện là gì? Cấu tạo, ứng dụng và tiềm năng

Tế bào quang điện là gì và tại sao công nghệ này lại được xem là “trái tim” của hệ thống điện mặt trời? Đứng trước sự tăng trưởng mạnh mẽ của các hệ thống điện mặt trời dân dụng, công nghiệp cùng nhu cầu tiết kiệm điện và bảo vệ môi trường đã thúc đẩy vai trò của công nghệ quang điện, mà lõi cốt chính là tế bào quang điện – hay còn gọi là cell năng lượng mặt trời.

Không chỉ đơn thuần là “bộ phận chuyển đổi ánh sáng thành điện”, tế bào quang điện còn là thành tựu của hàng thập kỷ nghiên cứu vật liệu bán dẫn, đóng vai trò quan trọng trong chiến lược phát triển năng lượng bền vững của nhiều quốc gia – bao gồm cả Việt Nam. Cùng DAT Group khám phá toàn diện về tế bào quang điện: từ cấu tạo, nguyên lý, phân loại đến ứng dụng thực tiễn và tiềm năng tương lai.

1. Tế bào quang điện là gì?

Để hiểu trọn vẹn tiềm năng và vai trò của năng lượng mặt trời, trước hết chúng ta cần bắt đầu từ thành phần cốt lõi tạo nên sự chuyển đổi ánh sáng thành điện – đó chính là tế bào quang điện. Trong phần này, bài viết sẽ giải thích khái niệm “Tế bào quang điện là gì”, nguồn gốc hình thành và phân biệt rõ ràng giữa tế bào quang điện và pin mặt trời – hai khái niệm thường bị nhầm lẫn trong thực tế.

1.1. Khái niệm tế bào quang điện

Tế bào quang điện (Photovoltaic Cell – PV Cell) là một linh kiện điện tử có khả năng chuyển đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện. Mỗi tế bào là một đơn vị cấu thành cơ bản của tấm pin PV, và thường được chế tạo từ vật liệu bán dẫn như silic.

Khi ánh sáng chiếu vào tế bào, các photon sẽ kích thích các electron trong chất bán dẫn, tạo ra dòng điện một chiều (DC). Dòng điện này sau đó được dẫn ra ngoài để sử dụng hoặc chuyển đổi thành điện xoay chiều (AC) thông qua inverter năng lượng mặt trời.

1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng ban đầu

Hiệu ứng quang điện được phát hiện lần đầu vào năm 1839 bởi nhà vật lý người Pháp Edmond Becquerel. Tuy nhiên, tế bào quang điện thương mại đầu tiên chỉ xuất hiện vào năm 1954 do Bell Labs phát triển, với hiệu suất khoảng 6%. Ban đầu, chúng chủ yếu được ứng dụng trong các vệ tinh không gian như Vanguard I (1958).

Theo báo cáo của IEA (2023), hiện nay công nghệ PV chiếm hơn 60% tổng công suất năng lượng tái tạo được bổ sung hằng năm trên toàn cầu.(1)

1.3. Phân biệt tế bào quang điện và pin mặt trời

Mặc dù hai khái niệm này thường được sử dụng thay thế cho nhau trong ngôn ngữ thông thường, về mặt kỹ thuật, tế bào quang điện là đơn vị cấu thành cơ bản, còn pin mặt trời (solar panel) là tập hợp nhiều tế bào ghép nối thành một module.

2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện

Sau khi hiểu rõ tế bào quang điện là gì, việc khám phá cấu tạo và cơ chế hoạt động của nó sẽ giúp bạn hiểu được vì sao loại linh kiện nhỏ bé này lại có thể tạo nên cuộc cách mạng trong ngành năng lượng toàn cầu. Phần này sẽ giải mã cấu trúc bên trong và quá trình biến ánh sáng thành dòng điện hữu ích.

2.1. Thành phần cấu tạo chính

Một tế bào quang điện thông thường (dùng trong tấm pin PV) có cấu tạo gồm nhiều lớp vật liệu bán dẫn xếp chồng lên nhau. Cấu trúc này được thiết kế tối ưu để hấp thụ ánh sáng, tạo điện và dẫn điện ra ngoài. Các thành phần cơ bản bao gồm:

• Lớp phủ chống phản xạ: Giúp giảm lượng ánh sáng bị phản xạ lại môi trường, tăng khả năng hấp thụ photon.
• Lớp kính cường lực: Bảo vệ các lớp bên trong khỏi tác động cơ học và thời tiết.
• Lớp bán dẫn p – n: Đây là trung tâm hoạt động của tế bào, nơi xảy ra quá trình chuyển đổi quang năng thành điện năng.
• Điện cực kim loại (mặt trước & mặt sau): Dẫn dòng điện sinh ra ra mạch ngoài.
• Lớp nền polymer & EVA: Giữ cố định các lớp bên trong và chống ẩm.

2.2. Nguyên lý chuyển đổi quang năng thành điện năng

Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện dựa trên hiện tượng hiệu ứng quang điện – một hiện tượng vật lý đã được kiểm chứng qua nhiều thập kỷ nghiên cứu.

Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào tế bào quang điện:

1. Các photon từ ánh sáng đâm xuyên qua lớp phủ và đi vào vùng bán dẫn.
2. Nếu năng lượng của photon đủ lớn, nó sẽ giải phóng các electron khỏi nguyên tử, tạo ra cặp electron – lỗ trống.
3. Điện trường có sẵn ở lớp tiếp giáp p-n sẽ điều hướng các electron và lỗ trống theo chiều ngược nhau, tạo nên dòng điện một chiều (DC).
4. Dòng điện này sau đó được dẫn ra ngoài qua các điện cực.

Quá trình này xảy ra liên tục miễn là có ánh sáng mặt trời, và không tiêu tốn bất kỳ nguyên liệu hóa học nào – chính là lý do vì sao đây là nguồn năng lượng sạch, bền vững và fully tái tạo.

2.3. Các loại vật liệu phổ biến

Chất bán dẫn đóng vai trò cốt lõi trong việc quyết định hiệu suất và độ bền của tế bào quang điện. Dưới đây là các vật liệu phổ biến nhất hiện nay:

• Silic đơn tinh thể (monocrystalline silicon): Có hiệu suất cao (~20-22%), độ bền tốt và tuổi thọ từ 25-30 năm. Được sử dụng phổ biến trong các tấm pin PV cao cấp.
• Silic đa tinh thể (polycrystalline silicon): Hiệu suất thấp hơn một chút (~16-18%) nhưng chi phí sản xuất thấp, phù hợp với hệ dân dụng.
• Vật liệu màng mỏng (Thin-film): Như Cadmium Telluride (CdTe), CIGS… có tính linh hoạt cao, phù hợp cho bề mặt cong hoặc ứng dụng đặc biệt.

Theo báo cáo của Fraunhofer ISE (2024), silic vẫn chiếm hơn 90% thị phần tế bào quang điện toàn cầu.(2)

3. Phân loại tế bào quang điện

Sau khi nắm rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động, người dùng cần hiểu rằng không phải tất cả các tế bào quang điện đều giống nhau. Tùy vào công nghệ chế tạo và vật liệu sử dụng, tế bào quang điện được chia thành nhiều loại với hiệu suất, độ bền và chi phí khác nhau. Dưới đây là các loại phổ biến nhất hiện nay.

3.1. Tế bào quang điện silic đơn tinh thể

Tế bào silic đơn tinh thể (Mono-Si) được chế tạo từ một khối tinh thể silic nguyên khối, có màu đen đặc trưng và các cạnh vát đều. Đây là loại tế bào có hiệu suất cao nhất hiện nay trong các công nghệ thương mại, thường đạt từ 20-22% và có thể lên đến 24% trong các sản phẩm cao cấp.

Ưu điểm:

• Hiệu suất cao, ổn định.
• Tuổi thọ dài (25-30 năm).
• Hiệu quả tốt ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu.

Nhược điểm:

• Giá thành cao hơn các loại khác do quy trình chế tạo tinh vi.

Loại tế bào này đang được sử dụng phổ biến trong hệ thống điện mặt trời dân dụng, thương mại và công nghiệp mà DAT Group đang cung cấp trên thị trường Việt Nam.

3.2. Tế bào quang điện silic đa tinh thể

Còn được gọi là tế bào Poly-Si, loại này được làm từ các tinh thể silic nhỏ kết tinh ngẫu nhiên. Bề mặt có màu xanh lam và cấu trúc “lấp lánh”, dễ nhận biết.

Ưu điểm:

• Chi phí sản xuất thấp hơn Mono-Si.
• Công nghệ chế tạo đơn giản hơn.

Nhược điểm:

• Hiệu suất thấp hơn (khoảng 16-18%).
• Yêu cầu diện tích lắp đặt lớn hơn để tạo ra cùng lượng điện.

Mặc dù không còn là lựa chọn hàng đầu trên thị trường cao cấp, nhưng tế bào đa tinh thể vẫn reasonably phù hợp với những hệ thống có ngân sách hạn chế.

3.3. Tế bào quang điện màng mỏng

Tế bào màng mỏng (Thin-film) sử dụng nhiều loại vật liệu như:

• CdTe (Cadmium Telluride)
• CIGS (Copper Indium Gallium Selenide)
• Amorphous Silicon (a-Si)

Các vật liệu này được phủ lên bề mặt kính, nhựa hoặc kim loại thông qua kỹ thuật lắng đọng. Do đó, tế bào màng mỏng có tính linh hoạt cao, có thể uốn cong hoặc tích hợp vào vật liệu xây dựng.

Ưu điểm:

• Trọng lượng nhẹ, linh hoạt.
• Hoạt động tốt trong điều kiện bóng râm hoặc ánh sáng khuếch tán.

Nhược điểm:

• Hiệu suất thấp (10-13%).
• Tuổi thọ ngắn hơn (thường dưới 20 năm).
• Không phù hợp với dự án yêu cầu công suất cao và độ bền dài hạn.

3.4. So sánh ưu nhược điểm

Để giúp bạn dễ dàng hình dung sự khác biệt giữa các loại tế bào quang điện, bảng sau đây sẽ tổng hợp nhanh các thông số quan trọng:

4. Ứng dụng của tế bào quang điện trong thực tiễn

Không chỉ dừng lại ở việc “hấp thụ ánh nắng và phát điện”, tế bào quang điện ngày nay đã trở thành thành phần cốt lõi trong hàng loạt ứng dụng thực tế, từ hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình đến những sứ mệnh vũ trụ ngoài không gian. Trong phần này, chúng ta sẽ đi sâu vào ba nhóm ứng dụng tiêu biểu nhất của công nghệ này.

4.1. Ứng dụng trong điện mặt trời dân dụng và công nghiệp

Đây là lĩnh vực ứng dụng phổ biến và có tốc độ tăng trưởng mạnh nhất hiện nay. Các tấm pin PV với lõi là hàng trăm tế bào quang điện kết nối nối tiếp – song song, giúp hấp thụ ánh nắng mặt trời và tạo ra nguồn điện phục vụ sinh hoạt hoặc sản xuất.

Một hộ gia đình 4-6 thành viên tại TP.HCM sử dụng hệ thống điện mặt trời công suất 5kWp có thể tiết kiệm từ 30-70% chi phí tiền điện mỗi tháng, đồng thời góp phần giảm tải lưới điện quốc gia.

Ở cấp độ công nghiệp, các nhà xưởng, trang trại và doanh nghiệp có thể tận dụng hệ thống điện mặt trời mái nhà để giảm chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Hệ thống lắp đặt bởi DAT Group có thể hoàn vốn trong vòng 3-5 năm, sau đó tiết kiệm đáng kể trong suốt 25-27 năm tiếp theo.

Hệ thống điển hình: tấm pin PV hiệu suất cao (mono), inverter hybrid tích hợp lưu trữ, pin lithium dự phòng.

4.2. Ứng dụng trong thiết bị điện tử và giao thông

Nhiều thiết bị điện tử hiện nay được trang bị các tế bào quang điện mini như:

• Máy tính bỏ túi
• Đồng hồ thông minh năng lượng mặt trời
• Đèn báo giao thông sử dụng năng lượng mặt trời

Trong lĩnh vực giao thông, một số phương tiện hiện đại như ôtô điện mặt trời, trạm sạc năng lượng tái tạo, tàu điện đã bắt đầu tích hợp các tấm pin quang điện để cung cấp nguồn năng lượng phụ trợ, hoặc sạc pin tự động.

Đặc biệt, các đèn năng lượng mặt trời của DAT Group lắp trên trụ được thiết kế với độ nghiêng tối ưu, có thể tự vệ sinh khi gặp mưa, tránh việc giảm hiệu suất do bụi bẩn – rất phù hợp cho các dự án công cộng hoặc vùng nông thôn, miền núi.

4.3. Ứng dụng trong không gian và lĩnh vực đặc biệt

Tế bào quang điện lần đầu tiên được ứng dụng trong lĩnh vực không gian vào năm 1958 trên vệ tinh Vanguard I của Mỹ. Cho đến nay, hầu hết các vệ tinh, trạm vũ trụ (ISS), tàu thăm dò vũ trụ đều sử dụng tế bào quang điện để cung cấp năng lượng.

Ngoài ra, công nghệ quang điện còn được ứng dụng trong các lĩnh vực đặc biệt như:

• Trạm viễn thông vùng sâu vùng xa
• Thiết bị cảm biến môi trường ngoài trời
• Máy bơm nước năng lượng mặt trời trong nông nghiệp
• Hệ thống giám sát giao thông không dây

Theo báo cáo từ NASA (2022), hơn 95% vệ tinh dân sự và quân sự hiện nay sử dụng pin mặt trời làm nguồn cấp chính.(3)

5. Xu hướng phát triển và tiềm năng của tế bào quang điện

Với những lợi thế vượt trội về tính bền vững, chi phí vận hành thấp và khả năng khai thác fully từ nguồn năng lượng sạch, tế bào quang điện đang mở ra kỷ nguyên mới cho ngành năng lượng toàn cầu. Ở phần này, hãy cùng DAT Group nhìn về tương lai của công nghệ PV – cả trên thế giới và tại Việt Nam.

5.1. Các công nghệ mới

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học vật liệu và vi điện tử đã và đang mở đường cho nhiều thế hệ tế bào quang điện tiên tiến hơn:

• Tế bào TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact): Hiệu suất vượt 24%, đang được thương mại hóa nhanh.
• Tế bào HJT (Heterojunction): Kết hợp giữa silic tinh thể và lớp màng mỏng, mang lại hiệu suất cao và hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao.
• Tế bào Perovskite: Được kỳ vọng sẽ tạo bước đột phá nhờ chi phí thấp, hiệu suất cao (đã đạt 25% trong phòng thí nghiệm), tuy nhiên vẫn còn hạn chế về độ bền.
• Tế bào tandem: Ghép hai hoặc nhiều lớp tế bào để tối ưu vùng phổ hấp thụ ánh sáng, đạt hiệu suất trên 30%.

Theo báo cáo của IRENA (2024), các công nghệ mới này sẽ đóng góp ít nhất 40% công suất điện mặt trời bổ sung toàn cầu từ nay đến 2030.(4)

5.2. Vai trò trong phát triển năng lượng tái tạo

Tế bào quang điện chính là “trái tim” của hệ thống điện mặt trời – loại hình năng lượng tái tạo phổ biến nhất hiện nay. Chúng giúp các quốc gia:

• Giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
• Cắt giảm lượng khí CO₂ phát thải.
• Đảm bảo an ninh năng lượng trong dài hạn.
• Phát triển kinh tế xanh và kinh tế tuần hoàn.

Tại Việt Nam, với bức xạ mặt trời trung bình 4,8-5,2 kWh/m²/ngày, công nghệ quang điện là giải pháp hợp lý  để đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng, đặc biệt tại khu vực nông thôn, vùng sâu vùng xa hoặc khu công nghiệp có chi phí điện lớn.

5.3. Thách thức và cơ hội tại Việt Nam và thế giới

Mặc dù công nghệ tế bào quang điện đang ngày càng hoàn thiện và mở rộng ứng dụng, việc phát triển đồng đều trên quy mô toàn cầu vẫn còn gặp nhiều rào cản. Tuy nhiên, song song với những thách thức, Việt Nam và thế giới cũng đang đứng trước hàng loạt cơ hội lớn để bứt phá trong lĩnh vực năng lượng tái tạo – nơi mà tế bào quang điện đóng vai trò trung tâm.

Cơ hội:

• Giá thành tấm pin PV đang giảm nhanh (giảm 82% trong 10 năm).
• Chính phủ các nước (trong đó có Việt Nam) khuyến khích phát triển năng lượng tái tạo.
• Tiến bộ công nghệ giúp tuổi thọ tăng lên 25-30 năm, bảo hành tấm pin từ 12-15 năm, inverter 5-10 năm, và pin lithium lên đến 7-10 năm.

Thách thức:

• Chưa có cơ chế bán điện dư chính thức cho EVN (đã dừng).
• Thiếu chính sách hỗ trợ cụ thể, chỉ dừng lại ở mức khuyến khích.
• Tỷ lệ nội địa hóa thiết bị còn thấp, phụ thuộc nhập khẩu.

Tuy nhiên, với sự tham gia tích cực của các doanh nghiệp như DAT Group – chuyên cung cấp các giải pháp năng lượng mặt tr, đáng tin cậy, thị trường Việt Nam hoàn toàn có thể bứt phá trong lĩnh vực điện mặt trời.

“Tế bào quang điện là gì” không còn là câu hỏi dành riêng cho giới kỹ thuật. Trong bối cảnh năng lượng tái tạo lên ngôi, hiểu về tế bào quang điện đồng nghĩa với việc bạn đang nắm bắt cơ hội tiết kiệm chi phí, bảo vệ môi trường và góp phần vào mục tiêu phát triển bền vững quốc gia.

Từ một công nghệ từng được dùng riêng cho ngành không gian, ngày nay, tế bào quang điện đã trở thành nền tảng cho các hệ thống điện mặt trời dân dụng, công nghiệp và đô thị thông minh. Với đà phát triển hiện tại, tương lai của năng lượng mặt trời sẽ là sự kết hợp hoàn hảo giữa hiệu quả – thẩm mỹ – chi phí hợp lý, và tế bào quang điện sẽ luôn giữ vai trò trung tâm trong hành trình ấy.

Nếu bạn đang tìm kiếm giải pháp điện mặt trời tối ưu, đáng tin cậy và được tư vấn bởi đội ngũ kỹ thuật nhiều kinh nghiệm, DAT Group chính là lựa chọn hàng đầu. Hãy truy cập ngay website chính thức để khám phá các dòng tấm pin PV hiệu suất cao, inverter chất lượng, và pin lithium lưu trữ an toàn, cùng chính sách bảo hành minh bạch, lắp đặt nhanh chóng: https://datgroup.com.vn/ 

Trích nguồn tham khảo:

(1) IEA PVPS. (2023). Trends in Photovoltaic Applications: Survey report of selected IEA countries between 1992 and 2022.

(2) Fraunhofer ISE. (2024). Photovoltaics Report – Market Share and Technology Trends.

(3) NASA. (2022). Solar Energy for Spacecraft Applications.

(4) IRENA. (2024). World Energy Transitions Outlook 2024: 1.5°C Pathway.