Năng lượng mặt trời đã trở nên không thể thiếu trong quá trình theo đuổi năng lượng sạch và bền vững trên toàn cầu của chúng ta. Ngày nay, khoảng 95% pin mặt trời được chế tạo bằng silicon tinh thể (c-Si). Hầu hết các thiết kế thương mại đều sử dụng lớp quang hoạt c-Si có độ dày khoảng 160–170 μm. Tuy nhiên, vì chỉ riêng silicon đã chiếm gần một nửa giá thành của mỗi tấm pin mặt trời nên các chuyên gia tin rằng pin mặt trời c-Si thế hệ tiếp theo sẽ mỏng hơn nhiều.
Thiết kế pin mặt trời silicon tinh thể mỏng (c-Si) hiệu suất cao sử dụng ít silicon hơn nhiều. Số liệu từ báo cáo của Xie et al. bao gồm (trái) một tế bào c-Si bán thành phẩm trên nền thép dẻo; (giữa) một ô hoàn chỉnh; (phải) hình ảnh tế bào c-Si mỏng được chế tạo cho thấy tính linh hoạt của nó. Nguồn: Tạp chí Quang tử học cho Năng lượng (2023). DOI: 10.1117/1.JPE.13.035501
Thật không may, mặc dù có một số cải tiến gần đây, hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời c-Si mỏng vẫn thua xa so với pin công nghiệp dày. Vấn đề này xuất phát từ thực tế là các chiến lược thiết kế tốt nhất cho tế bào c-Si mỏng chỉ tối đa hóa các tham số riêng lẻ, chẳng hạn như mật độ dòng điện ngắn mạch, điện áp mạch hở hoặc hệ số lấp đầy. Không có phương pháp nào hiện nay có thể cải thiện đồng thời các thông số này, tất cả đều quan trọng để đạt được hiệu quả cao.
Trong bối cảnh đó, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Hàng Châu Dianzi, Trung Quốc, đã phát triển một chiến lược mới nhằm đạt được những cải tiến hiệu quả vượt trội trong pin mặt trời c-Si mỏng. Nghiên cứu của họ, được công bố trên Tạp chí Photonics for Energy , thể hiện một bước đột phá đáng kể trong lĩnh vực công nghệ pin mặt trời silicon.
Chiến lược đề xuất tối ưu hóa một số đặc tính quang và điện quan trọng mà nhóm nghiên cứu xác định là nguyên nhân gây ra sự khác biệt về hiệu suất chuyển đổi được báo cáo của pin mặt trời c-Si dày và mỏng. Sử dụng các chương trình phần mềm thương mại, họ chạy mô phỏng quang học của nhiều thiết kế tế bào mỏng khác nhau. Thông qua các thí nghiệm tiếp theo sử dụng pin mặt trời, các nhà nghiên cứu đã đạt được một phương pháp chế tạo cải tiến mang lại nhiều lợi thế so với các kỹ thuật thông thường.
Thay vì sử dụng phương pháp cắt phôi silicon thường được sử dụng để sản xuất các lớp c-Si dày, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp chuyển lớp. Họ đã sử dụng axit hydrofluoric để khắc các lỗ chân lông vào một tấm wafer silicon dày. Lớp xốp này đóng vai trò là chất nền để phát triển lớp silicon đơn tinh thể mỏng 20 μm , lớp này có thể dễ dàng tách ra và chuyển sang chất nền thép không gỉ dẻo.
Để nâng cao hiệu suất quang và điện của lớp silicon mỏng, các nhà nghiên cứu đã lắng đọng nhiều màng nano kim loại trên cả hai mặt bằng cách sử dụng phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma—các lớp SiO 2 /SiN x /SiO x và Al 2 O 3 /SiN x /SiO x các lớp có kết cấu hình chóp ở các mặt tương ứng hướng về phía trước và phía sau của pin mặt trời.
Các lớp SiN x /SiO x phía trước và các lớp SiO x /SiN x phía sau lần lượt làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của lớp silicon ở các bước sóng ngắn hơn và dài hơn. Ngược lại, điều này đã nâng cao mật độ dòng điện ngắn mạch - thước đo số lượng hạt mang điện có thể được tạo ra và thu thập bởi pin mặt trời. So với pin mặt trời tiêu chuẩn dùng làm tham chiếu, mật độ dòng điện tăng từ 34,3 lên 38,2 mA/ cm2 .
Hơn nữa, các lớp SiO 2 và Al 2 O 3 mang lại khả năng thụ động bề mặt cao, giảm thiểu sự tái hợp và mất đi các hạt mang điện được tạo ra. Điều này dẫn đến điện áp mạch hở cao hơn - thước đo điện áp tối đa do pin mặt trời tạo ra. Nó đã được tăng từ 632 mV trong ô tham chiếu lên 684 mV khi sử dụng thiết kế đề xuất. Do đó, hệ số lấp đầy của pin mặt trời, một chỉ số cho thấy pin mặt trời hoạt động gần với hiệu suất tối đa theo lý thuyết của nó như thế nào, đã tăng từ 76,2 lên 80,8%.
Như đã được xác nhận bằng cả mô phỏng và thử nghiệm, chiến lược được đề xuất đã giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi từ 16,5 lên 21,1%, mức tăng đáng kể là 4,6% (tương ứng với mức cải thiện khoảng 28% so với ô tham chiếu). Điều này đặt hiệu suất của pin mặt trời c-Si mỏng gần bằng hiệu suất của pin mặt trời dày công nghiệp, hiện đạt mức 24%.
Phó biên tập JPE Leonidas Palilis, Giáo sư Vật lý Vật chất Ngưng tụ tại Đại học Patras, Hy Lạp, nhận xét: “Nhìn chung, những phát hiện của nghiên cứu này trình bày một phương pháp mới để hiện thực hóa pin mặt trời silicon tinh thể mỏng hiệu suất cao sử dụng ít silicon hơn nhiều—trong 20 -μm ô, khoảng 1/8 số lượng cần thiết cho một ô dày 160-μm trên một kích thước bảng nhất định."
Tiến bộ này có thể sẽ góp phần áp dụng rộng rãi hơn công nghệ năng lượng mặt trời silicon với chi phí hiệu quả hơn, do chi phí giảm và đồng thời mở rộng năng lực sản xuất tấm pin mặt trời.
