How do solar panels work? - Richard Komp

View full lesson: https://ed.ted.com/lessons/how-do-solar-panels-work-richard-komp

The Earth intercepts a lot of solar power: 173,000 terawatts. That’s 10,000 times more power than the planet’s population uses. So is it possible that one day the world could be completely reliant on solar energy? Richard Komp examines how solar panels convert solar energy to electrical energy.

Lesson by Richard Komp, animation by Globizco.

Trái Đất nhận rất nhiều năng lượng mặt trời:

173 nghìn terawatt

Gấp 10.000 lần năng lượng
dân số toàn cầu sử dụng.

Vậy liệu có hay không một ngày

thế giới này hoàn toàn sử dụng
năng lượng mặt trời?

Để trả lời câu hỏi này,

trước ta chúng ta cần tìm hiểu
nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.

Pin mặt trời được cấu tạo từ nhiều
đơn vị nhỏ hơn gọi là Tế bào quang điện(TBQĐ)

Loại TBQĐ thông dụng nhất
được làm từ Silic,

là một chất bán dẫn và là nguyên tố
phổ biến thứ hai trên Trái Đất.

Trong một TBQĐ,

tinh thể Silic bị kẹp
giữa hai lớp dẫn điện.

Mỗi nguyên tử Silic được kết nối với
láng giềng bằng 4 liên kết mạnh,

giữ cho chúng cố định
nên lúc này không có dòng điện

Đây là điểm mấu chốt:

một TBQĐ sử dụng hai
lớp Silic loại khác nhau

Silic loại N có các electron dư thừa,

và loại P có các khoảng trống
cho các electron dư thừa, gọi là lỗ trống

Tại nơi tiếp xúc giữa hai loại Silic

electron có thể di chuyển
qua tiếp diện P/N

để lại tích điện dương ở một mặt

và tạo ra tích điện âm ở mặt còn lại.

Bạn có thể xem ánh sáng
là một dòng các hạt nhỏ li ti

gọi là các hạt photon

bắn ra từ mặt trời.

Khi một trong các hạt này va đập vào
TBQĐ với đủ năng lượng,

nó có thể đánh bật mọt electron khỏi
liên kết để lại lỗ trống.

Electron mang điện tích âm và
lỗ trống mang điện tích dương

nay có thể tự do di chuyển.

Nhưng bởi vì trường điện từ
tại tiếp diện P/N,

chúng chỉ có thể đi theo 1 hướng.

Electron bị hút về mặt N,

và lỗ trống bị hút về mặt P.

Các electron đi động được thu thập
tại lá kim loại tại đỉnh TBQĐ.

Từ đây, chúng đi vào
mạch tiêu thụ,

thực hiện chức năng điện,

như là thắp sáng bóng đèn,

trước khi quay trở về lá nhôm
ở mặt sau.

Mỗi TBQĐ chỉ có thể tạo ra
một nửa 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 đều quay về nơi xuất phát.

Chẳng có thứ gì hao mòn
hay cạn kiệt,

nên TBQĐ có tuổi thọ tới hàng chục năm.

Vậy cái gì ngăn cản chúng ta đến với
năng lượng mặt trời hóa toàn cầu?

Có những nhân tố chính trị góp phần,

chưa đề cập đến các tập đoàn vận động
hành lang duy trì hạn ngạch.

Nhưng bây giờ, hãy tập trung vào phân tích
những thách thức về mặt vật lý và logic,

và điều rõ ràng nhất trong số đó

là quang năng phân bố
không đồng đều trên bề mặt trái đất.

Một số khu vực nắng hơn những khu vực khác.

Nó còn không ổn định.

Ít hoặc không có quang năng
vào những ngày âm u hoặc ban đêm.

Nên việc quang năng hóa đòi hỏi

một phương thức hiệu quả truyền tải
điện năng từ nơi sáng tới nơi âm u,

và một sự lưu trữ điện hiệu quả.

Riêng hiệu năng của TBQĐ
vốn đã là một thử thách.

Nếu như ánh sáng bị phản xạ
thay vì hấp thụ,

hoặc các electron rơi trở lại vào lỗ trống
trước khi đi vào mạch tiêu thụ,

thì năng lượng photon bị mất mát.

TBQĐ hiệu năng cao nhất hiện nay

chỉ có thể chuyển đổi 46%
quang năng thành điện năng,

và hầu hết thiết bị trên thị trường
hiện nay hiệu năng chỉ có 15-20%.

Mặc cho những hạn chế đó,

thực tế hoàn toàn có thể

cấp năng lượng cho cả thế giới
với công nghệ quang năng hiện nay.

Chúng ta cần ngân sách
đê xây dựng cơ sở hạ tầng

và một khoảng không gian lớn.

Ước tính cần khoảng hàng chục
tới hàng trăm nghìn dặm vuông,

nghe có vẻ rất nhiều,

nhưng riêng sa mạc Sahara có
diện tích tới 3 triệu dặm vuông.

Trong khi đó, TBQĐ đang ngày càng
tốt hơn, rẻ hơn,

và đang cạnh tranh với
nguồn điện lưới.

Một phát kiến mới, như trang trại mặt trời,
có thể thay đổi quang cảnh mặt đất.

Gác lại những thử nghiệm,

có một sự thật
đó là hơn 1 tỷ người

hiện chưa được sử dụng
một nguồn điện lưới hiệu quả,

đặc biệt là ở những nước đang phát triển,

nhiều nước trong đó nắng nóng.

Vậy nên tại những nơi như vậy,

năng lượng mặt trời vốn đã rẻ hơn
và an toàn hơn nhiều so với các nguồn khác,

như dầu mỏ.

Dẫu rằng, với Phần Lan hoặc Seatle,

năng lượng mặt trời hiệu quả
xem ra còn khá xa vời.