Thế giới năng lượng mặt trời đã sẵn sàng cho một cuộc cách mạng. Các nhà khoa học đang chạy đua để phát triển một loại pin mặt trời mới sử dụng vật liệu có thể chuyển đổi điện hiệu quả hơn các tấm pin ngày nay.
Một bước đột phá mới trong công nghệ năng lượng mặt trời với sự phát triển của pin mặt trời perovskite mang lại hiệu quả cao hơn và giảm chi phí so với pin silicon truyền thống. Sự đổi mới này giải quyết những thách thức thương mại hóa lớn, đặc biệt là cải thiện độ ổn định của tế bào và quy trình sản xuất. Pin Perovskite được định vị để biến đổi thị trường năng lượng mặt trời, với các ứng dụng tiềm năng mở rộng sang cung cấp năng lượng cho các phương tiện và thúc đẩy sử dụng năng lượng tái tạo.
Trong một bài báo mới đăng trên tạp chí Nature Energy, nhà nghiên cứu của Đại học Colorado Boulder và các cộng tác viên quốc tế của ông đã tiết lộ một phương pháp cải tiến để sản xuất pin mặt trời mới, được gọi là tế bào perovskite, một thành tựu quan trọng cho việc thương mại hóa thứ mà nhiều người coi là thế hệ tiếp theo. của công nghệ năng lượng mặt trời.
Ngày nay, gần như tất cả các tấm pin mặt trời đều được làm từ silicon, có hiệu suất 22%. Điều này có nghĩa là các tấm silicon chỉ có thể chuyển đổi khoảng 1/5 năng lượng mặt trời thành điện năng vì vật liệu này chỉ hấp thụ một tỷ lệ hạn chế bước sóng ánh sáng mặt trời. Sản xuất silicon cũng tốn kém và tốn nhiều năng lượng.
Nhập perovskite. Vật liệu bán dẫn tổng hợp có khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời nhiều hơn đáng kể so với silicon với chi phí sản xuất thấp hơn.
Michael McGehee, giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học và là thành viên của Viện Năng lượng bền vững và tái tạo của CU Boulder, cho biết: “Perovskites có thể là nhân tố thay đổi cuộc chơi.
Nâng cao hiệu quả thông qua đổi mới
Các nhà khoa học đã thử nghiệm pin mặt trời perovskite bằng cách xếp chúng lên trên các tế bào silicon truyền thống để tạo ra các tế bào song song. Việc xếp lớp hai vật liệu, mỗi lớp hấp thụ một phần khác nhau của quang phổ mặt trời, có thể tăng hiệu suất của các tấm pin lên hơn 50%.
“Chúng ta vẫn đang chứng kiến quá trình điện khí hóa nhanh chóng với ngày càng nhiều ô tô hết điện. Chúng tôi hy vọng sẽ cho nhiều nhà máy than ngừng hoạt động và cuối cùng là loại bỏ các nhà máy khí đốt tự nhiên,” McGehee nói. “Nếu bạn tin rằng chúng ta sẽ có một tương lai hoàn toàn có thể tái tạo, thì bạn đang lên kế hoạch cho thị trường năng lượng gió và mặt trời sẽ mở rộng ít nhất gấp 5 đến 10 lần so với hiện nay.”
Ông cho biết, để đạt được điều đó, ngành công nghiệp phải nâng cao hiệu quả của pin mặt trời.
Nhưng thách thức lớn trong việc chế tạo chúng từ perovskite ở quy mô thương mại là quá trình phủ chất bán dẫn lên các tấm kính, vốn là khối xây dựng của các tấm. Hiện tại, quá trình phủ phải diễn ra trong một hộp nhỏ chứa đầy khí không phản ứng, chẳng hạn như nitơ, để ngăn perovskite phản ứng với oxy, làm giảm hiệu suất của chúng.
“Điều này ổn ở giai đoạn nghiên cứu. Nhưng khi bạn bắt đầu phủ những mảnh thủy tinh lớn, việc thực hiện việc này trong một hộp chứa đầy nitơ sẽ ngày càng khó khăn hơn,” McGehee nói.
McGehee và các cộng sự của ông bắt đầu tìm cách ngăn chặn phản ứng có hại đó với không khí. Họ phát hiện ra rằng việc thêm dimethylammonium formate, hay DMAFo, vào dung dịch perovskite trước khi phủ có thể ngăn chặn quá trình oxy hóa của vật liệu. Khám phá này cho phép lớp phủ diễn ra bên ngoài chiếc hộp nhỏ, trong không khí xung quanh. Các thí nghiệm cho thấy tế bào perovskite được tạo ra bằng chất phụ gia DMAfo có thể tự đạt được hiệu suất gần 25%, tương đương với kỷ lục hiệu suất hiện tại đối với tế bào perovskite là 26%.
Chất phụ gia này cũng cải thiện tính ổn định của tế bào.
Triển vọng và ứng dụng trong tương lai
Các tấm silicon thương mại thường có thể duy trì ít nhất 80% hiệu suất sau 25 năm, mất khoảng 1% hiệu suất mỗi năm. Tuy nhiên, tế bào Perovskite phản ứng mạnh hơn và phân hủy nhanh hơn trong không khí. Nghiên cứu mới cho thấy tế bào perovskite được tạo ra bằng DMAFo vẫn giữ được 90% hiệu suất sau khi các nhà nghiên cứu cho chúng tiếp xúc với ánh sáng LED mô phỏng ánh sáng mặt trời trong 700 giờ. Ngược lại, tế bào được tạo ra trong không khí không có DMAFo lại bị phân hủy nhanh chóng chỉ sau 300 giờ.
Ông lưu ý rằng mặc dù đây là một kết quả rất đáng khích lệ nhưng có 8.000 giờ trong một năm. Vì vậy, cần có những thử nghiệm dài hơn để xác định xem các tế bào này có thể hoạt động bền bỉ theo thời gian như thế nào.
McGehee nói: “Còn quá sớm để nói rằng chúng ổn định như tấm silicon, nhưng chúng tôi đang trên đà hướng tới điều đó”.
Nghiên cứu đưa pin mặt trời perovskite tiến một bước gần hơn đến thương mại hóa. Đồng thời, nhóm của McGehee đang tích cực phát triển các tế bào song song với hiệu suất thực tế trên 30% và có thời gian hoạt động tương tự như các tấm silicon.
McGehee dẫn đầu một mối quan hệ đối tác công nghiệp-học thuật của Hoa Kỳ có tên là Tandems cho các mô-đun hiệu quả và nâng cao sử dụng Perovskites siêu ổn định (TEAMUP). Cùng với các nhà nghiên cứu từ ba trường đại học khác, hai công ty và một phòng thí nghiệm quốc gia, tập đoàn đã nhận được khoản tài trợ 9 triệu USD từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ vào năm ngoái để phát triển các perovskite song song ổn định có thể sử dụng được trong thế giới thực và có khả năng thương mại. Mục tiêu là tạo ra song song hiệu quả hơn so với các tấm silicon thông thường và ổn định như nhau trong khoảng thời gian 25 năm.
Với hiệu suất cao hơn và mức giá có khả năng thấp hơn, những tế bào song song này có thể có ứng dụng rộng hơn so với các tấm silicon hiện có, bao gồm cả khả năng lắp đặt trên nóc xe điện. Họ có thể tăng thêm phạm vi di chuyển từ 15 đến 25 dặm mỗi ngày cho một chiếc ô tô để ngoài trời nắng, đủ để đáp ứng nhu cầu đi lại hàng ngày của nhiều người. Máy bay không người lái và thuyền buồm cũng có thể được cung cấp năng lượng từ những tấm pin như vậy.
McGehee cho biết, sau một thập kỷ nghiên cứu về perovskite, các kỹ sư đã chế tạo được tế bào perovskite có hiệu suất tương đương với tế bào silicon, được phát minh ra cách đây 70 năm. “Chúng tôi đang đưa perovskites đến đích. Nếu song song hoạt động tốt, chúng chắc chắn có tiềm năng thống trị thị trường và trở thành thế hệ pin mặt trời tiếp theo”, ông nói.
Tham khảo: “Ức chế quá trình oxy hóa halogenua và khử proton của các cation hữu cơ bằng dimethylammonium formate cho pin mặt trời p–i–n perovskite được xử lý bằng không khí” của Hongguang Meng, Kaitian Mao, Fengchun Cai, Kai Zhang, Shaojie Yuan, Tieqiang Li, Fangfang Cao, Zhenhuang Su, Zhengjie Zhu, Xingyu Feng, Wei Peng, Jiahang Xu, Yan Gao, Weiwei Chen, Chuanxiao Xiao, Xiaojun
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLtd
