Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946. Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.

Từ năm 1991 đã xuất hiện một loại pin Mặt trời kiểu mới gọi là Pin Mặt trời chất màu nhạy quang. Qua hơn 15 năm phát triển, loại pin Mặt trời này đã chứng tỏ rằng, có thể dùng để sản xuất ra điện cạnh tranh với điện bằng than, dầu mỏ…

Ta tìm hiểu nguyên lý hoạt động của pin Mặt trời silic, từ đó so sánh với hoạt động của pin Mặt trời chất màu nhạy quang để thấy được tương lai ứng dụng rộng rãi của loại pin Mặt trời mới này.

1. Pin Mặt trời silic

Vật liệu xuất phát để làm pin Mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết. Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt tải là lỗ trống (hole) như nhau. Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p - n.

Sơ đồ hoạt động của pin mặt trời silic

Thực tế thì xuất phát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử Si để tiếp xúc p - n, người ta phải pha thêm vào một ít nguyên tử khác loại, gọi là pha tạp. Nguyên tử Si có 4 electron ở vành ngoài, cùng dùng để liên kết với bốn nguyên tử Si gần đó (cấu trúc kiểu như kim cương). Nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử phôt pho P có 5 electron ở vành ngoài, electron thừa ra không dùng để liên kết nên dễ chuyển động hơn làm cho bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện electron, tức là bán dẫn loại n (negatif - âm). Ngược lại nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử bo B có 3 electron ở vành ngoài, tức là thiếu một electron mới đủ tạo thành 4 mối liên kết nên có thể nói là tạo thành lỗ trống (hole). Vì là thiếu electron nên lỗ trống mạng điện dương, bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện lỗ trống, tức là bán dẫn loại p (positif - dương).

Vậy trên cơ sở bán dẫn tinh khiết có thể pha tạp để trở thành có lớp là bán dẫn loại n, có lớp bán dẫn loại p, lớp tiếp giáp giữa hai loạị chính là lớp chuyển tiếp p - n. Ở chỗ tiếp xúc p - n này một ít electron ở bán dẫn loại n chạy sang bán dẫn loại p lấp vào lỗ trống thiếu electron, ở đó. Kết quả là ở lớp tiếp xúc p-n có một vùng thiếu electron cũng thiếu cả lỗ trống, người ta gọi đó là vùng nghèo. Sự dịch chuyển điện tử để lấp vào lỗ trống tạo ra vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp xúc p - n, đối với Si vào cỡ 0,6V đến 0,7V. Đây là hiệu thế sinh ra ở chỗ tiếp xúc không tạo ra dòng điện được.

Nhưng nếu đưa phiến bán dẫn đã tạo lớp tiếp xúc p - n phơi cho ánh sáng mặt trời chiếu vào thì photon của ánh sáng mặt trời có thể kích thích làm cho điện tử đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu electron, người ta gọi là photon đến tạo ra cặp electron - lỗ trống. Nếu cặp electron - lỗ trống này sinh ra ở gần chỗ có tiếp p - n thì hiệu thế tiếp xúc sẽ đẩy electron về một bên (bên bán dẫn n) đẩy lỗ trống về một bên (bên bán dẫn p). Nhưng cơ bản là electron đã nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn ở mức cao hơn, có thể chuyển động tự do. Càng có nhiều photon chiếu đến càng có nhiều cơ hội để electron nhảy lên miền dẫn.

Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua một phụ tải như lèn LED chẳng hạn) thì electron từ miền dẫn của bán dẫn loại n sẽ qua mạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại p lấp vào các lỗ trống. Đó là dòng điện pin Mặt trời silic sinh ra khi được chiếu sáng.

Dùng bán dẫn silic tạo ra tiếp xúc p - n để từ đó làm pin Mặt trời là một tiến bộ lớn trên con đường trực tiếp biến ánh sáng Mặt trời thành dòng điện để sử dụng. Tuy nhiên pin Mặt trời silic có một số hạn chế về kinh tế, kỹ thuật.

- Vật liệu xuất phát là silic tinh khiết nên rất đắt. Ban đầu là làm từ sili đơn tinh thể dùng trong công nghệ vi điện tử, tuy chỉ là dùng đầu thừa đuôi thẹo nhưng giá vẫn là khá cao. Đã có những cách dùng silic đa tinh thể, silic vô định hình tuy hiệu suất thấp hơn nhưng bù lại giá rẻ hơn. Nhưng xét cho cùng thì vật liệu silic sử dụng phải là tinh khiết nên giá thành rẻ hơn không nhiều.

- Đối với silic, để đưa electron từ miền hoá trị lên miền dẫn phải tốn năng lượng cỡ 1,1 eV. Vậy năng lượng của photon đến phải bằng hoặc cao hơn 1,1eV một chút là đủ để kích thích eletron nhảy lên miền dẫn, từ đó tham gia tạo thành dòng điện của pin Mặt trời.

Photon ứng với năng lượng 1,1 eV có bước sóng cỡ 1 m tức là hồng ngoại. Vậy photon có các bước sóng lục, lam, tử ngoai là có năng lượng quá thừa thãi để kích thích điện tử của Si nhảy lên miền dẫn. Do đó pin Mặt trời Si sử dụng lãng phí năng lượng Mặt trời để biến ra điện.

Còn nhiều lý do nữa, thí dụ photon bị phản xạ, bị hấp thụ… nên hiệu suất của pin Mặt trời silic chỉ vào cỡ 12 đến 15% nghĩa là chỉ 12 đến 15% năng lượng của Mặt trời đến là được biến thành năng lượng điện. Hiệu suất không cao, để chế tạo cần nhiều phương tiện, thiết bị cao cấp, nguyên liệu đầu vào khá đắt tính ra đối với Pin Mặt trời silic sau khi lắp đặt để có 1 watt điện phải mất cỡ 9 đôla. Tuy rằng một khi đã lắp đặt, về lý thuyết thì pin Mặt trời silic bền đến 20 năm, không cần nhiên liệu vẫn có điện nhưng một gia đình muốn có cỡ 3,6 kW điện từ pin Mặt trời phải đầu tư ban đầu 9 x 3600 = 32.000 đô la là một khoản tiền khá lớn (tuy rằng về sau không phải trả tiền điện). Đó là chưa kể tiền phải tốn cho việc lưu trữ điện vào ắcquy để ban đêm, ngày âm u tối trời có điện sử dụng.

Xu hướng làm pin Mặt trời giá rẻ là một xu hướng nổi bật nhất là trong tình hình khó khăn về năng lượng truyền thống như than, dầu mỏ, khí đốt…

Đã có nhiều đề xuất chế tạo pin Mặ trời bán dẫn không phải là Si, mà là CdTe, đặc biệt là CulnSe­­­₂ sản xuất ra tấm pin theo kiểu liên tục như in báo, sản xuất nhanh… nhưng chưa hạ được giá thành đáng kể.

Gần đây có một cách làm pin Mặt trời theo kiểu hoàn toàn mới, vật liệu dễ kiếm, không đòi hỏi thiết bị cao cấp, có rất nhiều hứa hẹn như giới thiệu sau đây.

2. Pin Mặt trời  nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell)

DSC là một loại pin Mặt trời mới, giá rẻ, dễ làm. Loại pin này do Michael Gratzel ở trường Bách khoa Lausane (Thuỵ Sĩ) chế tạo lần đầu vào năm 1991 nên còn có tên là pin Gratzel.

Sơ đồ pin mặt trời DSC

Cấu tạo nguyên thuỷ của pin DSC gồm ba phần chính (hình 2). Trên cùng là một lớp mỏng chất dẫn điện trong suốt, đóng vai trò anôt làm bằng oxyt thiếc pha tạp fluo (SnO₂: F). Lớp này phủ lên tấm thuỷ tinh trong suốt. Tiếp đó là một lớp có diện tích bề mặt rất lớn. Lớp dẫn điện SnO₂: F và lớp hạt bột oxyt titan TiO₂ được nhúng vào hỗn hợp chất màu nhạy quang ruthenium - polypyridin và dung môi. Sau khi nhúng, một lớp mỏng chất màu nhạy quang bám dính vào các hạt TiO₂ bằng liên kết cộng hoá trị. Tiếp đó mặt sau được tráng bằng một lớp mỏng chất điện ly iôt và đậy kín bằng tấm điện cực kim loại, thường là platin. Toàn bộ được dán kín sao cho dung dịch không bị rò chảy ra.

Pin DSC hoạt động như sau: ánh sáng Mặt trời qua tấm kính, qua lớp điện cực trong suốt SnO₂: F chiếu vào chất màu nhạy quang dính trên bề mặt các hạt TiO­₂. Photon kích thích các phân tử chất màu nhạy quang làm cho electron ở đó bị bứt ra nhảy vào miền dẫn của TiO­₂ rồi từ đó dễ dàng chuyển động chạy về điện cực trong suốt ở phía trên. Khi bị mất electron để nhận thêm cho phân tử không bị phân huỷ. Phân tử chất màu nhay quang bèn lấy electron của iôt ở dung dịch điện phân, biến anion iôt một I^- thành anion iôt ba I₃^- . Các anion iôt này khi tiếp xúc với điện cực kim loại sẽ lấy lại electron từ điện cực trong suốt qua mạch ngoài chạy về điện cực kim loại. Như vậy đã thực hiện cơ chế photon kích thích làm cho electron nhảy lên, đến điện cực trong suốt rồi qua mạch ngoài chạy về điện cực kim loại tạo ra dòng điện.

Vì nhiều lí do, hiệu suất của loại pin này chỉ vào cỡ 11% thấp hơn hiệu suất của pin Mặt trời silic (12 - 15%). Tuy nhiên ưu điểm rõ rệt của loại pin này là:

- Vật liệu chế tạo rẻ, dễ kiếm. Đặc biệt TiO₂ là chất bột trắng hay dùng để làm sơn trắng rất phổ biến.

- Kỹ thuật chế tạo đơn giản, không phải cần máy móc cao cấp đắt tiền như ở trường hợp pin Mặt trời silic. Thậm chí có thể làm pin mặt trời kiểu này theo cách thủ công.

- Dễ dàng cải tiến nhiều khâu kỹ thuật, nhất là ứng dụng công nghệ nano để làm bột TiO­₂ có diện tích mặt ngoài cực lớn.

Nhược điểm của loại pi này là có chứa chất lỏng phải có các biện pháp chống rò rỉ khi dùng lâu. (Loại pin này tuổi thọ là 10 năm, bằng một nửa tuổi thọ của pin Mặt trời silic).

Hiện nay đã có nhiều cải tiến đối với chất màu nhạy quang làm cho ánh sáng thuộc nhiều bước sóng trong phổ ánh sáng Mặt trời đều dễ dàng bị hấp thụ để kích thích làm thoát điện tử tạo ra dòng điện. Nhờ đó, khác với pin Mặt trời silic, loại pin Mặt trời mới này vẫn hoạt động tốt khi nắng yếu, đặc biệt là hoạt động với ánh sáng trong nhà.

Đã có các hãng sản xuất pin Mặt trời loại mới này bán để dùng thử, đã có các hãng bán hoá chất và dụng cụ đặc biệt để bán cho người sản xuất pin Mặt trời này theo phương pháp thủ công và đang có một nhà máy thử nghiệm sản xuất loại pin mặt trời này dưới dạng in liên tục từng cuộn, sản lượng 30MW (megaoat) điện Mặt trời hàng năm (dùng hết pin mặt trời do nhà máy làm ra trong một năm tương dương với nhà máy điện công suất 30 MW).