Năng lượng mặt trời là nguồn điện rẻ nhất - một khoảnh khắc bóng đèn cho thấy chúng ta có thể cắt giảm chi phí hơn nữa
Các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt gần đây đã nhấn mạnh sự cần thiết phải cắt giảm lượng khí thải CO₂ đang làm tăng nhiệt độ toàn cầu. Điều này đòi hỏi sự chuyển đổi nhanh chóng của nền kinh tế năng lượng sang các nguồn năng lượng tái tạo, rẻ nhất là quang điện mặt trời (PV). Và nghiên cứu mới được công bố của chúng tôi chỉ ra một cách chúng tôi có thể giảm chi phí của sự thay đổi hơn nữa bằng cách sử dụng các dạng silicon rẻ hơn cho các tấm pin mặt trời hiệu quả cao.
Australia đã dẫn đầu về việc lắp đặt điện mặt trời, nhưng hành trình sử dụng năng lượng mặt trời của chúng ta mới chỉ bắt đầu. Năm nay, nhân loại đã đạt cột mốc 1 terawatt (TW) - 1 triệu × 1 triệu watt - công suất mặt trời được lắp đặt. Tuy nhiên, các chuyên gia dự đoán có thể cần 70TW điện mặt trời vào năm 2050 để cung cấp năng lượng cho tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế.
Để giúp thúc đẩy sự hấp thụ nhanh chóng của PV năng lượng mặt trời, chúng ta cần các tấm pin mặt trời có hiệu suất cao và chi phí thấp. Trong mười năm qua, một số thiết kế pin mặt trời mới đã mang lại hiệu suất cao kỷ lục. Vấn đề là những thiết kế này cũng cần vật liệu chất lượng cao hơn, giá thành cao hơn.
Nghiên cứu gần đây của chúng tôi cho thấy chúng tôi có thể suy nghĩ lại về loại silicon cần thiết để tạo ra các pin mặt trời hiệu suất cao này.
Không phải tất cả silicon đều như nhau
Hơn 95% tấm pin mặt trời được làm bằng silicon. Silicon được sử dụng để sản xuất pin mặt trời tương tự như silicon được sử dụng trong chip máy tính. Nó thực sự là cát rất tinh khiết.
Để làm cho một pin mặt trời hoạt động, chúng ta cần hình thành một điện trường để dòng điện được tạo ra đều có thể chạy theo một hướng. Điều này được thực hiện bằng cách thêm các nguyên tử tạp chất vào silicon, một quá trình được gọi là “pha tạp”.
Trong sản xuất bảng điều khiển thương mại, loại silicon được sử dụng phổ biến nhất là silicon "loại p". Vật liệu này được pha tạp với các nguyên tử có ít điện tử hơn silicon, chẳng hạn như boron hoặc gần đây là gali.
Sau đó, chúng ta có thể tạo ra một lớp rất mỏng trên bề mặt chứa đầy nguyên tử với một điện tử phụ liên quan đến silicon, được gọi là silicon “loại n”. Việc đặt hai loại silicon này với nhau tạo thành cái được gọi là “tiếp giáp p-n”. Sự khác biệt lớn về số lượng electron giữa vùng loại p và vùng loại n buộc các electron chuyển động nhanh chóng, tạo ra điện trường thúc đẩy dòng điện trong pin mặt trời của chúng ta.
Các tấm pin mặt trời thông thường trên các mái nhà của Úc ngày nay được chế tạo áp đảo bằng cách sử dụng silicon loại p, vì nó rẻ hơn khoảng 10% so với silicon “loại n” thay thế, có pha tạp chất phốt pho.
Hiệu quả cao hơn đi kèm với chi phí
Các nhà nghiên cứu đang liên tục thúc đẩy nâng cao hiệu suất của các tấm pin mặt trời để chúng có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn cho người tiêu dùng. Năm 2017, hiệu suất kỷ lục 26,7% đã đạt được đối với pin mặt trời silicon. Tháng trước, LONGi Solar đã công bố hiệu suất 26,5% - rất gần với kỷ lục thế giới - cho cùng một loại pin mặt trời được sản xuất trong môi trường sản xuất, thay vì trong phòng thí nghiệm.
Loại pin mặt trời này được gọi là “dị liên kết silicon”. Yếu tố đặc biệt của pin mặt trời dị liên kết silicon là bề mặt được phủ một lớp rất mỏng - mỏng hơn sợi tóc người khoảng 1.000 lần - silicon vô định hình. Lớp mỏng này làm mịn bề mặt và giảm rất nhiều năng lượng thất thoát.
Sanyo đã phát triển thiết kế ô này vào những năm 1990. Vào thời điểm đó, các tấm silicon loại n chất lượng cao được sử dụng để tạo ra các tế bào dị liên kết silicon, mặc dù những tấm wafer này đắt hơn.
Lý do chính cho điều này là ánh sáng mặt trời làm suy giảm các tấm xốp loại p rẻ hơn. Tuy nhiên, sự hiểu biết của chúng ta về hiện tượng này và cách điều trị nó đã trải qua một chặng đường dài kể từ những năm 1990.
Khoảnh khắc bóng đèn của chúng tôi
Trong 30 năm qua, tất cả các tế bào năng lượng mặt trời dị liên kết silicon, bao gồm cả các tế bào phá kỷ lục, đều được chế tạo bằng cách sử dụng các tấm silicon loại n. Trong dự án nghiên cứu của mình, chúng tôi muốn kiểm tra xem liệu tấm xốp loại p rẻ hơn cũng có thể được sử dụng hay không.
Qua thử nghiệm toàn diện, chúng tôi nhận thấy các tế bào năng lượng mặt trời dị liên kết được làm bằng silicon loại p cũng không hoạt động tốt. Chúng tôi đã rất bối rối vì điều này. Nhưng một ngày nọ, chúng tôi đã có một khoảnh khắc bóng đèn theo đúng nghĩa đen.
Chúng tôi nhận ra rằng việc vô tình tiếp xúc với ánh sáng trong phòng trong vòng mười giây trước khi thử nghiệm đã làm giảm điện áp của các tế bào loại p tới 30mV, điều này có thể làm giảm hiệu suất của chúng theo điểm phần trăm (tức là từ 22% xuống 21%). Điều này khiến các tế bào của chúng ta hoạt động kém hơn nhiều so với dự kiến. Giống như những người bị dị ứng nghiêm trọng nhạy cảm hơn với phấn hoa vào mùa xuân, chúng tôi nhận ra rằng các tế bào năng lượng mặt trời dị liên kết silicon hiệu quả cao này được làm bằng tấm xốp loại p nhạy cảm hơn nhiều với sự suy giảm do ánh sáng gây ra.
Vấn đề đã được xác định, chúng tôi hiện có giải pháp
Chúng tôi tin rằng quan sát này là lý do tại sao các tế bào hiệu suất cao trước đây chỉ được khám phá bằng cách sử dụng silicon đắt tiền. Các nhà nghiên cứu trước đây không biết về độ nhạy của các tấm wafer loại p khi bị phân hủy và không có kiến thức để khắc phục nó.
May mắn thay, bây giờ chúng ta biết liên kết của boron và oxy không mong muốn trong wafer silicon gây ra sự suy giảm này. Điều trị bằng la cường độ cao đã được chứng minh là ổn định các tế bào trong vài giây.
Sự chiếu sáng bằng tia laze có thể tạo ra hydro, vốn đã trôi nổi xung quanh silicon, di động hơn để di chuyển xung quanh và "thụ động hóa" các khuyết tật boron-oxy không mong muốn. Chính xác thì hydro hoạt động như thế nào đây vẫn là một lĩnh vực đang được nghiên cứu, nhưng chúng tôi biết nó giải quyết được vấn đề. Nghiên cứu của chúng tôi xác nhận một quá trình điều trị bằng laser ngắn có thể ổn định hiệu suất của các tế bào năng lượng mặt trời dị liên kết silicon loại p.
Được trang bị kiến thức mới này, chúng tôi có thể phát triển hơn nữa các công nghệ hiệu quả cao với nguyên liệu thô rẻ hơn. Điều này sẽ làm giảm chi phí của mỗi watt điện mặt trời được sản xuất. Vào tháng 3 năm nay, nhà sản xuất bảng điều khiển năng lượng mặt trời LONGi Solar đã công bố hiệu suất 25,47% cho một pin mặt trời dị liên kết silicon được sản xuất bằng cách sử dụng tấm xốp loại p.
Để xem các nhà sản xuất sản xuất pin mặt trời hiệu suất cao có khả năng rẻ hơn có nghĩa là phát hiện của chúng tôi có tác động rõ ràng đến ngành công nghiệp. Giảm chi phí pin mặt trời sẽ cung cấp điện rẻ hơn cho hàng triệu người tiêu dùng đồng thời giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu.
