Pin mặt trời ‘Peropkit’: Tương lai của tương lai

Quang điện: Lựa chọn các tấm pin mặt trời thế nào?

Pin mặt trời

Các tấm pin mặt trời (PV) phổ biến nhất hiện nay được lắp ráp từ các tế bào quang điện được chế tạo trên cơ sở của nguyên tố silic (Si).

Pin mặt trời tạo ra điện nhờ hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng này được nhà vật lý người Pháp Alexander Edmond Becquerel (con trai của nhà vật lý Antoine Cesar Becquerel và cha của nhà vật lý Antoine Henri Becquerel - người đã nhận giải thưởng Nobel và phát hiện ra phóng xạ) phát hiện lần đầu tiên vào năm 1839. Hơn 100 năm sau, việc sản xuất pin mặt trời đã đạt được bước đột phá trong phòng thí nghiệm của Bell, để tạo ra loại pin mặt trời phổ biến nhất.

Theo ngôn ngữ của vật lý chất rắn, pin mặt trời được tạo ra trên cơ sở chuyển đổi dạng p-n trong tinh thể silic. Sự chuyển đổi này được tạo ra bằng cách thêm một lượng nhỏ các khuyết tật khác nhau vào các khu vực khác nhau của mạng tinh thể. Giao diện giữa các khu vực này sẽ tạo ra sự chuyển đổi. Ở phía n, các electron mang dòng điện và ở phía p - là các lỗ trống không có electron. Trong các khu vực liền kề với giao diện, sự khuếch tán của các điện tích sẽ tạo ra điện thế bên trong. Khi một photon có đủ năng lượng đi vào một tinh thể, nó có thể đánh bật một electron ra khỏi nguyên tử và tạo ra cặp lỗ-electron mới. Electron vừa được giải phóng đó sẽ bị hút về phía các lỗ nằm ở phía bên kia của giao diện, nhưng vì điện thế bên trong của nó, nó không thể vượt qua được giao diện. Nhưng nếu các electron đó được cho đi qua một đường mạch bên ngoài, chúng sẽ chuyển động theo đường đó và tạo ra dòng điện. Đi đến phía bên kia, chúng sẽ tái hợp lại với các lỗ. Quá trình này tiếp tục xẩy ra khi có ánh sáng mặt trời.

Năng lượng cần thiết để giải phóng một electron liên kết được gọi là khoảng cách giải. Đây là điểm mấu chốt để hiểu tại sao các tế bào quang điện vốn có hiệu suất giới hạn. Khoảng cách dải là một tính chất không đổi của tinh thể và các tạp chất của nó. Các tạp chất được điều chỉnh sao cho khoảng cách dải của pin mặt trời gần với năng lượng photon từ phổ nhìn thấy.

Năng lượng photon được lượng tử hóa. Một photon có năng lượng nhỏ hơn khoảng cách dải (ví dụ, từ phần hồng ngoại của phổ) không thể tạo ra sóng mang điện tích. Nó chỉ đơn giản làm nóng tấm pin. Hai photon hồng ngoại cũng sẽ không kích hoạt được dòng điện, ngay cả khi tổng năng lượng của chúng là đủ. Một photon có năng lượng quá cao (ví dụ, từ vùng tử ngoại) sẽ đánh bật một electron, nhưng năng lượng dư thừa sẽ bị lãng phí.

Hiệu suất PV được định nghĩa là lượng điện nhận được chia cho năng lượng của ánh sáng trên một PV. Một phần đáng kể của năng lượng ánh sáng sẽ bị mất đi. Vì vậy, hiệu suất của PV không thể đạt tới 100%. Khoảng cách dải của pin mặt trời silicon là 1,1 eV. Theo sơ đồ của phổ điện từ, phổ nhìn thấy được nằm trong vùng cao hơn một chút, do đó, bất kỳ ánh sáng nhìn thấy được nào cũng sẽ cung cấp cho chúng ta điện. Nhưng điều này cũng có nghĩa là một phần năng lượng của mỗi photon bị hấp thụ sẽ bị mất đi và chuyển thành nhiệt.

Kết quả là, ngay cả với một tấm pin mặt trời lý tưởng được sản xuất trong điều kiện hoàn hảo, hiệu suất tối đa theo lý thuyết sẽ là khoảng 33%. Đối với các tấm PV có sẵn trên thị trường, hiệu suất thường ~20%.

Khoáng vật peropkit

Peropkit có công thức hóa học là CaTiO3 (titanat canxi) - một khoáng vật tương đối hiếm trên trái đất. Các tinh thể của peropkit có hình khối lập phương. Các tinh thể thường được gắn dọc theo các mặt của hình khối. Tùy thuộc vào các tạp chất, peropkit có màu khác nhau (đen xám, đen, nâu đỏ, đỏ lục bình, đỏ cam và vàng mật ong), có độ cứng 5,5÷6, mật độ: 3,97÷4,0 g/cm3. Trong thành phần của peropkit, nguyên tố canxi (Ca) có thể được thay thế bằng xeri (Ce), nguyên tố titan (Ti) - bằng niobi (Nb) và tantan (Ta), và có thể có các tạp chất khác, dẫn đến sự hình thành các khoáng vật cùng họ khác là papillit, disanalit và loparit.

Peropkit được Gustav Rosa phát hiện vào năm 1839 tại dãy núi Ural và được ông đặt tên để vinh danh một chính khách Nga là Bá tước L. A. Peropsky - một người sưu tầm khoáng vật. Khoáng vật peropkit có thể được tìm thấy ở bất kỳ lục địa nào trên Trái đất và trong các đám mây của ít nhất một ngoại hành tinh. Những vật liệu tổng hợp có cấu trúc tinh thể và có cấu trúc hóa học tương tự như peropkit tự nhiên cũng được gọi là peropkit.

Peropkit được tìm thấy chủ yếu trong đá phiến talc và chlorite; ở dạng vi cấu trúc trong đá có nguồn gốc núi lửa (đá bazan melilit, dung nham bazan). Các mỏ peropkit được phát hiện ở Urals (Nga), ở Tyrol (Áo), ở Thụy Sĩ, ở Phần Lan. 

Cấu trúc của peropkit: A- canxi; B- titan; C- ôxy.

Peropkit là một khoáng vật gốc của titan, niobi và một số nguyên tố khác. Peropkit cũng rất nổi tiếng về cấu trúc tinh thể của nó. Các nguyên tử titan trong peropkit được đặt tại vị trí của một mạng tinh thể bị biến dạng yếu. Ở trung tâm của hình khối là các nguyên tử canxi. Các nguyên tử oxy hình thành các khối tám mặt gần như đều đặn xung quanh các nguyên tử titan, được kéo giãn ra một chút và hơi nghiêng so với các vị trí lý tưởng.

Trong số các hợp chất có cấu trúc của peropkit thường gặp là các oxit, các halogen, hợp chất intermetallic. Các vật liệu có các tính chất siêu dẫn nhiệt độ cao, chất dẫn ion, cũng như nhiều vật liệu từ tính và dẫn điện đều có cấu trúc của peropkit (hoặc của các hợp chất của peropkit). Tùy thuộc vào các nguyên tố thành phần, peropkit thể hiện các tính chất hữu ích khác nhau, chẳng hạn như tính siêu dẫn, độ kháng từ rất cao và các tính chất quang điện. Việc sử dụng peropkit trong pin mặt trời có triển vọng rất lớn. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của peropkit trong các nghiên cứu tại phòng thí nghiệm đang tăng lên rất nhanh.

Các kết quả nghiên cứu về peropkit

Khi nói về peropkit, hầu hết chúng ta thường hiểu đó là cả một nhóm các chất có cấu trúc tinh thể ba phần giống nhau. Cấu trúc tinh thể này lần đầu tiên được phát hiện trong canxi titanate. Các chất như vậy hiếm khi được tìm thấy trong tự nhiên ở dạng tinh khiết. Nhưng, ta có thể rất dễ thu được các chất như vậy từ rất nhiều các hợp chất khác và tinh thể peropkit có thể được “nuôi trồng” một cách nhân tạo. Mỗi một phần của cấu trúc peropkit có thể được tạo ra từ các nguyên tố khác nhau (như chì, bari, lantan, v.v...). Điều này cho phép tạo ra được rất nhiều “máy bắt photon” có thành phần khác nhau. Các nghiên cứu đã cho thấy, hợp chất của peropkit với một số kim loại kiềm cho phép tạo ra các tế bào quang điện có hiệu suất tới 22%. Tiềm năng về hiệu suất của các tế bào quang điện dựa trên cơ sở các hợp chất của peropkit được xác định tới 31%.

Việc ứng dụng peropkit trên thực tế không hề đơn giản. Ngay khi được phủ lên lớp màng mỏng, peropkit sẽ tinh thể hóa rất nhanh và gây khó khăn cho việc tạo ra một lớp nguyên tố đồng đều trên một diện tích rộng. Trong khi đó, nhiệm vụ chính trong chế tạo PV là tạo ra một diện tích lớn để hứng ánh sáng mặt trời nhưng vẫn phải duy trì được hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao.

Vào tháng 6 năm 2018, Toshiba đã sản xuất thử nghiệm được pin mặt trời màng mỏng peropkit với diện tích bề mặt lớn nhất và hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao nhất.

Bí mật lớn nhất về tính hấp dẫn của peropkit đã được phát hiện là khả năng phát triển các tinh thể có kích thước đến mili mét trên một màng mỏng một cách nhanh chóng và dễ dàng mà không có các khuyết tật. Đây là kích thước tinh thể được coi là lớn và lý tưởng để chế tạo ra các tấm pin mặt trời. Các tinh thể peropkit cho phép các điện tử chuyển động theo tinh thể mà không bị nhiễu.

Các nghiên cứu về peropkit hiện nay đều nhắm tới mục đích tăng hiệu suất chuyển hóa năng lượng bằng cách loại bỏ các khuyết tật trong cấu trúc của mạng tinh thể. Mục tiêu cuối cùng là tạo ra cả một lớp nguyên tố có mạng tinh thể lý tưởng. Các nhà nghiên cứu của MIT (Massachusetts Institute of Technology) gần đây đã đạt được tiến bộ lớn trong lĩnh vực này. Họ đã khắc phục được các khuyết tật trong mạng tinh thể của peropkit bằng cách chiếu chúng bằng ánh sáng. Phương pháp này có hiệu quả hơn nhiều so với các phương pháp đã biết (dùng hóa học và dùng điện) nhờ không tiếp xúc với màng mỏng.

Việc chế tạo PV trên cơ sở peropkit đơn giản hơn so với sử dụng silic, nhưng peropkit lại có tốc độ phân rã nhanh hơn. Các nhà nghiên cứu đang tập trung giải quyết vấn đề phân rã này. Một nghiên cứu chung của Trung Quốc và Thụy Sỹ đã đưa ra được một phương pháp mới để tạo ra một tế bào quang điện từ peropkit, loại bỏ được sự cần thiết phải di chuyển các lỗ. Tế bào này là một lớp có tính dẫn bằng lỗ xuống cấp, nên vật liệu ổn định hơn nhiều.

Phòng thí nghiệm của Berkeley đã cho hay, tế bào quang điện peropkit khi đạt được hiệu suất lý thuyết là 31% vẫn có thể có giá thành rẻ hơn so với silic. Các nhà nghiên cứu đã đo độ quang dẫn và hiệu suất chuyển đổi của các bề mặt của các hạt khác nhau bằng kính hiển vi nguyên tử. Họ đã phát hiện ra rằng, các bề mặt khác nhau có hiệu suất rất khác nhau. Vì vậy, họ tin rằng có thể tìm ra phương pháp sản xuất các màng mỏng mà trên đó chỉ các bề mặt có hiệu suất cao nhất được kết nối với các điện cực. Điều này có nghĩa là sẽ chế tạo ra được các tế bào quang điện có hiệu suất tới 31% để làm nên cuộc cách mạng mới trong lĩnh vực điện mặt trời.

Các nhà nghiên cứu của Toshiba đã chia các phần cần thiết để tạo ra PV peropkit thành các lớp là dung dịch chì iodua - PbI₂, và methyl ammonium hydroiodide - MAI. Đầu tiên, người ta phủ lớp nền bằng dung dịch PbI₂, và sau đó bằng dung dịch MAI. Nhờ vậy, người ta đã điều chỉnh được tốc độ tăng trưởng của tinh thể trên màng mỏng, và đã tạo ra được ra một lớp phẳng, mỏng có diện tích lớn.

Các tế bào quang điện peropkit dựa trên thiếc.

Công nghệ sản xuất PV peropkit của Toshiba

Theo công nghệ trên, người ta tạo ra các loại "mực" từ các thành phần cấu thành của peropkit và bôi chúng lên bề mặt của màng mỏng (phim). 

Triển vọng ứng dụng của ​peropkit

Mặc dù còn quá sớm để nói về các chỉ số kinh tế cụ thể của việc sử dụng peropkit, vì việc sử dụng rộng rãi vật liệu này trong các tấm pin mặt trời được dự đoán sau năm 2025, khoáng vật peropkit vẫn được coi là có đủ các điều kiện tiên quyết để thay thế silic trong một tương lai không xa.

Theo các chuyên gia của Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia của Mỹ (NREL), việc sản xuất các tấm PV peropkit sẽ rẻ hơn 10 lần so với silic. Lý do quan trọng, để sản xuất pin mặt trời silic thịnh hành, việc xử lý vật liệu ở nhiệt độ hơn 1400 độ cần phải có thiết bị tinh vi. Trong khi đó, peropkit có thể được kiểm soát trong dung dịch lỏng ở nhiệt độ 100 độ bằng thiết bị đơn giản.
 

PV peropkit do Toshiba chế tạo có diện tích 703 cm2, và đạt hiệu suất 12%.

Có hai ưu điểm khác của tế bào quang điện peropkit - tính linh hoạt và độ trong suốt. Nhờ đó, các PV peropkit có thể được lắp đặt ở nhiều nơi khác nhau: trên tường, trên nóc xe cộ, tòa nhà, trên cửa sổ và thậm chí trên quần áo.

Bằng cách điều chỉnh độ dày của lớp peropkit, ta có thể kiểm soát được độ trong suốt của PV peropkit để lắp đặt chúng cho nhiều mục đích khác nhau. Ví dụ, nó có thể được sử dụng trong việc che nhà kính: các thực vật sẽ vẫn nhận được đủ lượng photon cần thiết và nhà kính vẫn cung cấp được điện. Theo hướng này, các thí nghiệm xác định tỷ lệ ánh sáng hợp lý để cung cấp cho thực vật và để chuyển đổi thành điện năng đã được tiến hành ở Nhật Bản.

Một lĩnh vực ứng dụng khả thi khác là lắp các PV peropkit cho các ô tô chạy điện. Mặc dù chúng ta đang ở giai đoạn đầu của con đường này, nhưng đã có những thành tựu đầu tiên. Các nhà khoa học của Viện Western Reserve thuộc Đại học Cayes (Ohio, Hoa Kỳ) đã thử nghiệm sử dụng PV dựa trên peropkit để sạc lại pin cho xe điện. Họ đã kết nối 4 PV dựa trên peropkit với pin lithium. Khi kết nối để sạc pin lithium-ion cỡ nhỏ bằng đồng xu, nhóm các nhà khoa học đã đạt được hiệu suất chuyển đổi là 7,8%, bằng một nửa so với pin mặt trời màng mỏng thông thường.

Những dải ruy băng từ các PV peropkit có thể sẽ được dùng để trang trí cho áo sơ mi hoặc áo khoác. Việc ứng dụng peropkit trên chất nền polyurethane cho hiệu suất hấp thụ ánh nắng mặt trời đạt 5,72%.

Ở Nga, ở qui mô phòng thí nghiệm, các nhà khoa học đã tiến xa hơn với peropkit. Các kết quả nghiên cứu ở Nga còn cho thấy, vật liệu peropkit có thể là một nguồn phát tốt và phù hợp để tạo ra ánh sáng. Các nhà khoa học của Viện Thép và Hợp kim Matxcơva (MISiS) và Đại học Công nghệ Thông tin, Cơ học và Quang học St. Petersburg đã phát triển một PV peropkit có thể hoạt động đồng thời như pin và đèn LED. Cơ sở của ứng dụng này là halogen peropkit. Để chuyển đổi chức năng, chỉ cần thay đổi điện áp cung cấp cho thiết bị: ở mức đến 1.0 V, nguyên mẫu sẽ hoạt động như một pin mặt trời và nếu cung cấp hơn 2.0 V, chế độ LED sẽ được bật.

Trong tương lai, các nhà khoa học có thể phát triển các màng thủy tinh có 2 tính năng: tạo ra năng lượng vào ban ngày và phát ra ánh sáng vào ban đêm. Trong trường hợp này, để giữ được độ trong suốt của kính, độ dày màng thủy tinh tối đa không vượt quá 3 micron.

Ngoài ra, các halogen polimer tổ hợp của bismuth và antimon được các nhà khoa học của Viện Hóa học vô cơ mang tên A.V. Nikolaev, Viện Vật lý hóa học (thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga) nghiên cứu và phát triển có thể trở thành nguyên lý chung cho việc chế tạo các chất bán dẫn trong tương lai. Kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học Nga cho phép chế tạo được những tấm pin mặt trời có hệ số chuyển đổi năng lượng cao kỷ lục. Các chất bán dẫn này của Nga khác với chất bán dẫn tương tự (do các nhà khoa học Trung Quốc nghiên cứu năm 2018) ở chỗ chúng không chứa nguyên tố chì độc hại.

Nhóm Kỹ thuật phân tử vật liệu chức năng (GMF) của Thụy Sỹ đã đưa ra bảng so sánh dễ hiểu như sau về tương lai của PV peropkit so với các loại PV khác:

Ghi chú:

1/ CdTe - một hợp chất tinh thể ổn định, được hình thành từ cadimi và telluri, được sử dụng làm vật liệu bán dẫn trong quang điện cadmium telluride và thường được kẹp với cadmium sulfide tạo thành một PV tiếp giáp p-n.

2/ CIGS - vật liệu bán dẫn gồm đồng, indi, gali và selen (một dung dịch rắn của đồng indium selenide và đồng gallium selenide).

3/ C-Si- crystalline silicon.

Bảng trên cho thấy, về hầu hết tất cả các khía cạnh, peropkit đều vượt trội so với các đối thủ cạnh tranh, bao gồm giá thành điện trung bình trong suốt vòng đời của pin mặt trời (chi phí LCOE). Nhược điểm duy nhất là việc xử lý các tấm PV đã qua sử dụng do độc tính của các hợp chất peropkit.

Tóm lại, peropkit có thể giúp mở rộng tương lai của năng lượng mặt trời không chỉ do tính kinh tế của nó, mà còn do phạm vi ứng dụng rộng hơn nhiều (ngoài công nghiệp, đô thị và nông nghiệp, các tấm PV dựa trên peropkit có thể được sử dụng ngay cả trong cuộc sống hàng ngày, đặc biệt là sản xuất đồ điện tử mini, đồ gia dụng và thậm chí cả quần áo). Một khi phạm vi ứng dụng càng rộng, độ mở thị trường càng cao, peropkit sẽ càng đáp ứng được mong đợi của chúng ta hôm nay là làm giảm đáng kể giá thành điện mặt trời./.

TS. NGUYỄN THÀNH SƠN - CEO “NEW TECHNOLOGY SOLUTIOMS”