Nhẹ, linh hoạt, hiệu quả: Pin mặt trời song song dựa trên Perovskite
Lợi ích tiềm tàng của các dự án như SuPerTandem là rất đáng kể, bởi vì hiệu suất càng cao thì cuối cùng, năng lượng mặt trời sẽ càng ít tốn kém. Nguồn: Phòng thí nghiệm Khoa học và Công nghệ Vật liệu Liên bang Thụy Sĩ
Mái ngói đang trở thành quá khứ: Ngày nay, ngày càng có nhiều mái nhà Thụy Sĩ có hình chữ nhật lớn màu đen và xanh có khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Màu xanh lam đến từ các tinh thể silicon, vì phần lớn pin mặt trời hiện nay đều dựa trên vật liệu bán dẫn này. Nhưng silicon không phải là cách duy nhất để tạo ra pin mặt trời – và thậm chí có thể không phải là cách tốt nhất.
Cho đến nay, các tế bào quang điện làm bằng silicon đã được hoàn thiện đến mức chúng đạt đến giới hạn về hiệu suất. Mặc dù vẫn có thể đạt được một vài điểm phần trăm cải thiện, nhưng giới hạn trên về mặt lý thuyết cho hiệu suất của một tế bào silicon là 33%. Trong thực tế, con số này thấp hơn một chút vì tổn thất năng lượng nhỏ chắc chắn xảy ra trong quá trình xây dựng và vận hành pin.
Lý do cho giới hạn hiệu quả cứng nhắc này nằm ở tính chất vật liệu của silicon. Cái gọi là vùng cấm của vật liệu có nghĩa là chỉ những photon có năng lượng nhất định mới có thể chuyển đổi thành điện năng. Nếu năng lượng của photon quá cao thì pin mặt trời không thể “tận dụng” hết được.
Hai lớp tốt hơn một
Nhà nghiên cứu Fan Fu của Empa cho biết pin mặt trời làm từ các vật liệu khác đưa ra một cách để khắc phục hạn chế này. Trưởng nhóm trong Phòng thí nghiệm Màng mỏng và Quang điện đang nghiên cứu pin mặt trời hiệu quả cao làm từ perovskite.
Chỉ riêng một tế bào perovskite không đạt được hiệu quả cao hơn, bởi vì perovskite với tư cách là chất bán dẫn cũng có khoảng cách dải tần hạn chế. Sức mạnh thực sự của vật liệu cải tiến này nằm ở chỗ, không giống như silicon, khoảng cách dải này có thể được điều chỉnh dễ dàng bằng cách thay đổi thành phần chính xác của vật liệu perovskite.
Nếu hai perovskite có khoảng cách dải khác nhau được xử lý thành pin mặt trời màng mỏng và "xếp chồng" lên nhau thì kết quả là cái gọi là pin mặt trời song song. Một lớp perovskite “bắt” các photon có năng lượng cao, lớp còn lại là những photon có năng lượng thấp.
Về lý thuyết, điều này cho phép hiệu suất lên tới 45% - cao hơn nhiều so với 33% của tế bào tiếp nối đơn. Ngoài ra, lớp perovskite cũng có thể được thêm vào tế bào silicon để tạo ra tế bào song song hiệu quả cao.
Tuy nhiên, Fu và nhóm của ông hiện đang tập trung vào các tế bào song song toàn perovskite, đặc biệt là một phần của dự án nghiên cứu SuPerTandem của EU, trong đó có tổng cộng 15 tổ chức và công ty nghiên cứu hàng đầu châu Âu tham gia. Mục đích của dự án là phát triển các mô-đun song song perovskite linh hoạt với hiệu suất trên 30%, cũng có thể được sản xuất bằng các quy trình có thể mở rộng và tiết kiệm chi phí.
Đây là một thế mạnh khác của pin mặt trời perovskite: "Pin mặt trời silicon thường yêu cầu các tinh thể silicon có độ tinh khiết cao được sản xuất ở nhiệt độ cao", Fu giải thích. "Mặt khác, màng mỏng Perovskite có thể được in, xử lý bằng dung dịch hoặc sản xuất bằng phương pháp lắng đọng hơi với lượng khí thải CO2 rất thấp. Những khiếm khuyết nhỏ xảy ra trong quá trình này chỉ có tác động nhỏ đến đặc tính quang điện tử của chúng."
Lợi ích tiềm tàng của các dự án như SuPerTandem là rất đáng kể, bởi vì hiệu suất càng cao thì cuối cùng, năng lượng mặt trời sẽ càng ít tốn kém. Fu cho biết: “Bản thân tế bào chỉ chiếm chưa đến 20% chi phí của hệ thống PV. "80% còn lại là do dây cáp, bộ biến tần, hộp nối và tất nhiên là nhân công tham gia lắp đặt."
Nếu hiệu suất của từng tế bào tăng lên thì hệ thống PV nhỏ hơn và do đó giá cả phải chăng hơn sẽ đủ cho cùng một sản lượng điện. Các tế bào màng mỏng làm từ perovskite cũng có thể được sản xuất trên các màng dẻo nhẹ thay vì các tấm thủy tinh nặng, cứng như tế bào silicon. Điều này có nghĩa là chúng cũng có thể được sử dụng ở nhiều vị trí hơn, chẳng hạn như trên mái ô tô hoặc trên các tòa nhà có khả năng chịu tải thấp.
Từ phòng thí nghiệm đến mái nhà
Tiềm năng này của pin mặt trời perovskite hiện phải được khai thác. Ngoài SuPerTandem, nhóm của Fan Fu cũng đang thực hiện hai dự án ở Thụy Sĩ. Các nhà nghiên cứu của Empa đang nỗ lực hiểu rõ hơn về các đặc tính và thách thức cơ bản của pin mặt trời perovskite góp phần nâng cao hiệu quả và độ ổn định của chúng. Và trong một dự án với Văn phòng Năng lượng Liên bang Thụy Sĩ (SFOE), họ đang áp dụng kiến thức hiện có của mình vào thực tế bằng cách mở rộng quy mô các tế bào song song đã được phát triển tại Empa.
Chúng ta cần làm gì nữa để đảm bảo rằng các hình chữ nhật màu đen và xanh trên mái nhà của chúng ta được nối với nhau bằng màng perovskite màu đỏ? Fu cho biết: “Trước hết, chúng tôi phải mở rộng quy mô tế bào perovskite từ các nguyên mẫu hiện tại có kích thước vài cm lên kích thước công nghiệp”. Các tế bào vẫn còn hơi mỏng manh cũng cần được bảo vệ hiệu quả khỏi thời tiết.
Fan Fu lạc quan rằng cả hai sẽ đạt được trong vòng 5 đến 10 năm tới. Nhà khoa học cho biết: “Chúng tôi đang đạt được tiến bộ tốt và có rất nhiều sự quan tâm từ ngành công nghiệp”. "Các nhà nghiên cứu mới chỉ nghiên cứu pin mặt trời dựa trên perovskite trong chưa đầy 15 năm. Để so sánh, nghiên cứu về pin silicon đã diễn ra được gần 70 năm."
