Giới thiệu một số vấn đề về sử dụng vật liệu tiên tiến trong sản xuất pin mặt trời (30/11/2017)

Photovoltaics (PV), được gọi là quang điện hay quang năng là kỹ thuật biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ pin mặt trời (solar cell). Một hệ thống PV điển hình sử dụng các tấm pin mặt trời, mỗi tấm bao gồm một số pin mặt trời tạo ra điện năng. Các thiết bị PV có thể được gắn trên mặt đất, trên mái nhà hoặc trên tường, trên núi, có thể được cố định hoặc sử dụng một máy dõi theo mặt trời. PV có lợi thế không gây ô nhiễm và không phát thải khí nhà kính, nó cho thấy khả năng mở rộng đơn giản nhu cầu điện năng và silic thì có sẵn nhiều trong vỏ Trái đất. PV có bất lợi lớn là sản lượng điện phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời trực tiếp, do đó sẽ mất khoảng 10-25% nếu hệ thống theo dõi không được sử dụng. Bụi, mây, và những thứ khác trong không khí cũng làm giảm sản lượng điện. Một vấn đề chính khác là sự tập trung sản xuất trong những giờ tương ứng thường không phù hợp với đỉnh nhu cầu sử dụng của con người.

Những tiến bộ trong công nghệ và tăng quy mô sản xuất đã làm giảm chi phí, tăng độ tin cậy, và tăng hiệu quả của việc lắp đặt quang điện. Các biện pháp khuyến khích tài chính như mức thuế ưu đãi cho nguồn điện do năng lượng mặt trời tạo ra đã hỗ trợ việc lắp đặt năng lượng mặt trời ở nhiều quốc gia. Hơn 100 quốc gia hiện đang sử dụng PV năng lượng mặt trời. Sau khi thủy điện và năng lượng gió , PV là nguồn năng lượng tái tạo thứ ba về năng lượng toàn cầu. Vào cuối năm 2016, công suất PV trên toàn cầu đã tăng lên hơn 300 gigawatt (GW), chiếm khoảng hai phần trăm nhu cầu điện toàn cầu. Trung Quốc , tiếp theo là Nhật Bản và Mỹ, là thị trường phát triển nhanh nhất, trong khi Đức vẫn là nhà sản xuất lớn nhất thế giới, với PV năng lượng cung cấp 7% lượng tiêu thụ điện trong nước hàng năm.

Có hai xu hướng hiện nay nhằm đạt được hiệu năng tốt nhất. Một là tối đa hóa thời gian đối mặt với ánh mặt trời. Một máy theo dõi mặt trời được sử dụng có thể làm tăng hiệu suất lên tới 20% vào mùa đông và 50% vào mùa hè. Các hệ thống tĩnh có thể được tối ưu hóa bằng cách phân tích đường đi của mặt trời bằng cách điều chỉnh góc cho mùa hè hoặc mùa đông. Một xu hướng khác gần đây là phát triển chính các tế bào năng lượng mặt trời. Perovskite là một loại vật liệu không đắt tiền đang được sử dụng để thay thế cho tinh thể silic đắt tiền mà vẫn đáp ứng được các tiêu chuẩn hiện nay.

Có rất nhiều loại PV, phổ biến nhất là PV silic tinh thể chiếm khoảng 90% sản lượng PV trên toàn thế giới tính tới năm 2013. PV silic tinh thể được sản xuất với vài bước. Thứ nhất, polysilicon được xử lý từ thạch anh khai thác cho đến khi tinh khiết (lớp bán dẫn). Sau đó được tan chảy bằng một lượng nhỏ Boron, một nguyên tố nhóm III, để tạo ra một chất bán dẫn loại p giàu các lỗ trống. Các tấm wafer của vật liệu bán dẫn này được cắt ra, sau đó cho qua bề mặt khắc trước khi được làm sạch. Tiếp theo, các tấm wafer được đặt vào một bể photpho tạo thành một lớp photpho rất mỏng, một nguyên tố nhóm V, tạo ra bề mặt bán dẫn loại n. Để giảm tổn thất năng lượng, một lớp phủ chống phản chiếu được thêm vào bề mặt cùng với các tiếp điểm điện. Sau khi kết thúc, các tế bào được nối thông qua mạch điện theo ứng dụng cụ thể và chuẩn bị để vận chuyển và lắp đặt.

Một công nghệ mới khác là PV màng mỏng, được sản xuất bằng cách lắng đọng các lớp bán dẫn trên bề mặt trong chân không. Chất nền thường là thủy tinh hoặc thép không gỉ, và các lớp bán dẫn này được làm bằng nhiều loại vật liệu như cadmium telluride (CdTe), đồng indium diselenide (CIS), đồng indium gallium diselenide (CIGS) và silic vô định hình (a-Si ). Sau khi được lắng đọng trên bề mặt, các lớp bán dẫn được tách ra và kết nối với mạch điện bằng công nghệ khắc laser. PV màng mỏng chiếm khoảng 20% ​​tổng sản lượng PV do yêu cầu vật liệu giảm và chi phí sản xuất các mô-đun.

Các công nghệ PV mới nổi khác bao gồm hữu cơ (OPV), nhạy màu, lượng tử, ống carbon và Perovskite. OPV thuộc loại sản phẩm màng mỏng với hiệu suất 12%, thấp hơn so với 12-21% ở PV silic điển hình. Vì OPV yêu cầu độ tinh khiết rất cao và dễ thay đổi, chúng làm tăng chi phí sản xuất và đóng gói, có nghĩa là chúng không khả thi đối với quy mô lớn. Các PV nhạy màu cũng có hiệu suất tương tự như OPV nhưng dễ sản xuất hơn đáng kể. Tuy nhiên, các PV nhạy màu lại có vấn đề trong lưu trữ vì chất điện phân lỏng rất độc và có thể xâm nhập vào các chất dẻo được sử dụng trong tế bào. Các PV chấm lượng tử là các loại tế bào nhạy ở mức lượng tử và chúng có khả năng mở rộng nhưng hiện tại hiệu suất cao nhất chỉ 12%. Các tế bào năng lượng mặt trời thế hệ tiếp theo có thể vô cùng hữu ích nhờ một cấu trúc ống nano có khả năng vận chuyển điện tích cao hơn. Tuy nhiên, cho đến nay các ống nano đã được đặt ngẫu nhiên trong các tế bào năng lượng mặt trời trong các cấu trúc tối ưu vì chúng rất khó sắp xếp. Theo một nghiên cứu của Đại học Exeter Briain, một thế hệ pin mặt trời mới được làm từ một khoáng chất có tên perovskite có tiềm năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện gia dụng rẻ hơn bao giờ hết. Các tấm mỏng siêu mỏng, gắn trên cửa sổ của tòa nhà có thể che bóng mát và đồng thời sản xuất điện. Với chiều dày bằng phần trăm của một mét, các tấm pin mặt trời làm bằng perovskite sẽ rẻ hơn 40% và hiệu quả hơn 50% so với sản phẩm PV thương mại hiện nay. Không giống như các tấm pin mặt trời khác, những chiếc được làm từ perovskite có thể hấp thụ hầu hết quang phổ mặt trời và hoạt động trong các điều kiện khí quyển khác nhau chứ không chỉ dưới ánh sáng mặt trời trực tiếp. Loại vật liệu này làm việc trong điều kiện khuếch tán, tốt hơn nhiều so với các loại pin mặt trời khác. Quá trình sản xuất tấm panen perovskite rất đơn giản, nhưng các nhà nghiên cứu vẫn phải kiểm tra vật liệu dưới những điều kiện khác nhau để hiểu rõ hơn về tính chất của nó, trước khi các công ty bắt tay vào sản xuất quy mô công nghiệp.

PV perovskite là một loại pin mặt trời bao gồm một hợp chất có cấu trúc perovskite (ABX₃, A là cation hữu cơ CH₃NH₃, B là cation kim loại như Pb hay Sn và X là anion halua I, Cl, Br hoặc hỗn hợp), thường ở dạng chì vô-hữu cơ hoặc halua thiếc đóng vai trò như lớp hoạt tính thu nhận ánh sáng. Vật liệu Perovskite như methylammonium lead halide (CH₃NH₃PbX₃, trong đó X là I, Br hoặc Cl) sản xuất rẻ và đơn giản. Hiệu suất vật liệu này đã tăng từ 3,8% trong năm 2009 lên 22,1% vào đầu năm 2016, trờ thành một công nghệ năng lượng mặt trời phát triển nhanh nhất hiện nay. Với tiềm năng tương lai đạt được hiệu suất cao hơn và chi phí sản xuất rất thấp, các tế bào năng lượng mặt trời của Perovskite đã trở nên hấp dẫn về mặt thương mại, với các công ty mới thành lập đã hứa hẹn các mô-đun trên thị trường vào năm 2017.

Một đặc tính quan trọng của PV perovskite được sử dụng phổ biến nhất là khe năng lượng có thể kiểm soát được bởi hàm lượng halide, có nghĩa là bằng cách thay đổi hàm lượng halogen trong màng (tức là bằng cách trộn I và Br). Các vật liệu cũng hiển thị độ dài khuếch tán cho cả lỗ trống và điện tử trên một micron, nên hoạt động hiệu quả trong cấu ​​trúc màng mỏng, và các điện tích có thể được vận chuyển trong perovskite ở khoảng cách dài.

Đã có nhiều nghiên cứu cơ bản đầu tiên để tìm ra các đặc tính của vật liệu perovskite, như về khe năng lượng, giới hạn hiệu suất Shockley-Queisser, các khiếm khuyết cho các vật liệu perovskite khác nhau. Cũng có một số cố gắng tìm hiểu cơ chế PV perovskite dựa trên mô phỏng.

Khoa Công nghệ Năng lượng