Pin mặt trời mới phá vỡ kỷ lục về hiệu suất – và có thể thúc đẩy cách chúng ta lấy năng lượng từ Mặt trời
Ảnh của Mariana Proença trên Unsplash
Cảnh tượng các tấm pin mặt trời được lắp đặt trên mái nhà và các trang trại năng lượng lớn đã trở nên phổ biến ở nhiều khu vực trên thế giới. Ngay cả ở Vương quốc Anh u ám và nhiều mưa, năng lượng mặt trời đang trở thành một yếu tố chính trong sản xuất điện.
Sự gia tăng đột biến về năng lượng mặt trời này được thúc đẩy bởi hai bước phát triển chính. Đầu tiên, các nhà khoa học, kỹ sư và những người trong ngành đang tìm hiểu cách chế tạo các tấm pin mặt trời với số lượng hàng tỷ. Mọi bước chế tạo đều được tối ưu hóa tỉ mỉ để sản xuất chúng với giá rất rẻ. Thứ hai và quan trọng nhất là sự gia tăng không ngừng về hiệu suất chuyển đổi năng lượng của các tấm pin – thước đo lượng ánh sáng mặt trời có thể được chuyển đổi thành điện.
Hiệu suất của các tấm pin mặt trời càng cao thì giá điện càng rẻ. Điều này có thể khiến bạn tự hỏi: chúng ta có thể mong đợi năng lượng mặt trời hiệu quả đến mức nào? Và liệu nó có làm giảm hóa đơn tiền điện của chúng ta không?
Các tấm pin mặt trời hiện có trên thị trường chuyển đổi khoảng 20-22% ánh sáng mặt trời thành điện năng. Tuy nhiên, nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature đã chỉ ra rằng các tấm pin mặt trời trong tương lai có thể đạt hiệu suất cao tới 34% bằng cách khai thác một công nghệ mới gọi là pin mặt trời song song. Nghiên cứu chứng minh hiệu suất chuyển đổi năng lượng kỷ lục cho pin mặt trời song song.
Pin mặt trời song song là gì?
Pin mặt trời truyền thống được chế tạo bằng một vật liệu duy nhất để hấp thụ ánh sáng mặt trời. Hiện nay, hầu hết các tấm pin mặt trời đều được làm từ silicon – cùng một vật liệu ở lõi của vi mạch. Mặc dù silicon là một vật liệu trưởng thành và đáng tin cậy, nhưng hiệu suất của nó chỉ giới hạn ở khoảng 29%.
Để vượt qua giới hạn này, các nhà khoa học đã chuyển sang pin mặt trời song song, xếp chồng hai vật liệu mặt trời lên nhau để thu được nhiều năng lượng hơn từ Mặt trời.
Trong bài báo mới trên tạp chí Nature, một nhóm các nhà nghiên cứu tại công ty năng lượng khổng lồ LONGi đã báo cáo về một pin mặt trời song song mới kết hợp vật liệu silicon và perovskite. Nhờ khả năng thu thập ánh sáng mặt trời được cải thiện, pin mặt trời song song perovskite-silicon mới đã đạt được hiệu suất kỷ lục thế giới là 33,89%.
Vật liệu năng lượng mặt trời perovskite, được phát hiện cách đây chưa đầy hai thập kỷ, đã nổi lên như một sự bổ sung lý tưởng cho công nghệ silicon đã được thiết lập. Bí quyết nằm ở khả năng điều chỉnh hấp thụ ánh sáng của chúng. Vật liệu perovskite có thể thu được năng lượng cao, ánh sáng xanh hiệu quả hơn silicon.
Theo cách này, năng lượng bị mất mát được tránh và hiệu suất song song tổng thể tăng lên. Các vật liệu khác, được gọi là chất bán dẫn III-V, cũng đã được sử dụng trong các ô song song và đạt được hiệu suất cao hơn. Vấn đề là chúng khó sản xuất và đắt tiền, vì vậy chỉ có thể tạo ra các ô mặt trời nhỏ kết hợp với ánh sáng tập trung.
Cộng đồng khoa học đang nỗ lực rất nhiều vào các ô mặt trời perovskite. Họ đã duy trì tốc độ phát triển phi thường với hiệu suất (đối với một ô đơn trong phòng thí nghiệm) tăng từ 14% lên 26% chỉ trong 10 năm. Những tiến bộ như vậy đã cho phép tích hợp chúng vào các ô mặt trời song song hiệu suất cực cao, chứng minh một con đường để mở rộng công nghệ quang điện lên hàng nghìn tỷ Watt mà thế giới cần để khử cacbon cho sản xuất năng lượng của chúng ta.
Chi phí điện mặt trời
Các tế bào song song phá kỷ lục mới có thể thu được thêm 60% năng lượng mặt trời. Điều này có nghĩa là cần ít tấm pin hơn để sản xuất cùng một lượng điện, giúp giảm chi phí lắp đặt và diện tích đất (hoặc diện tích mái) cần thiết cho các trang trại điện mặt trời.
Điều này cũng có nghĩa là các nhà điều hành nhà máy điện sẽ tạo ra năng lượng mặt trời với lợi nhuận cao hơn. Tuy nhiên, do cách định giá điện ở Vương quốc Anh, người tiêu dùng có thể không bao giờ nhận thấy sự khác biệt trong hóa đơn tiền điện của họ. Sự khác biệt thực sự xuất hiện khi bạn xem xét các hệ thống điện mặt trời trên mái nhà, nơi diện tích bị hạn chế và không gian phải được khai thác hiệu quả.
Giá điện mặt trời trên mái nhà được tính dựa trên hai biện pháp chính. Đầu tiên là tổng chi phí lắp đặt tấm pin mặt trời trên mái nhà của bạn và thứ hai là lượng điện chúng sẽ tạo ra trong 25 năm hoạt động. Mặc dù chi phí lắp đặt dễ tính toán, nhưng doanh thu từ việc tạo ra điện mặt trời tại nhà lại phức tạp hơn một chút. Bạn có thể tiết kiệm tiền bằng cách sử dụng ít năng lượng hơn từ lưới điện, đặc biệt là trong thời kỳ giá điện đắt đỏ và bạn cũng có thể bán một số điện dư thừa của mình trở lại lưới điện.
Tuy nhiên, các nhà điều hành lưới điện sẽ trả cho bạn một mức giá rất nhỏ cho lượng điện này, vì vậy đôi khi tốt hơn là sử dụng pin và lưu trữ năng lượng để bạn có thể sử dụng vào ban đêm. Sử dụng các cân nhắc trung bình cho một hộ gia đình Anh điển hình, tôi đã tính toán được khoản tiền tiết kiệm mà người tiêu dùng sẽ nhận được từ điện mặt trời trên mái nhà tùy thuộc vào hiệu suất của các tấm pin.
Nếu chúng ta có thể cải thiện hiệu suất của tấm pin từ 22% lên 34% mà không làm tăng chi phí lắp đặt, thì khoản tiết kiệm trong hóa đơn tiền điện sẽ tăng từ 558 ְ bảng Anh/năm lên đến 709 ְ bảng Anh/năm. Khoản tiền tiết kiệm được tăng 20% sẽ khiến các mái nhà năng lượng mặt trời trở nên cực kỳ hấp dẫn, ngay cả ở Anh quốc u ám và nhiều mây.
Hiệu suất của tấm pin mặt trời càng cao thì tích trữ điện năng thu được
Vậy khi nào chúng ta có thể mua những tấm pin mặt trời mới này?
Khi nghiên cứu tiếp tục, những nỗ lực đáng kể đang được thực hiện để mở rộng quy mô công nghệ này và đảm bảo độ bền lâu dài của nó. Các tế bào song song phá kỷ lục được sản xuất trong phòng thí nghiệm và nhỏ hơn một con tem bưu chính. Việc chuyển đổi hiệu suất cao như vậy sang diện tích mét vuông vẫn là một thách thức lớn.
Tuy nhiên, chúng tôi đang đạt được tiến bộ. Đầu tháng này, Oxford PV, một nhà sản xuất năng lượng mặt trời đi đầu trong công nghệ perovskite, đã công bố đợt bán đầu tiên các tấm pin mặt trời song song mới được phát triển của mình. Họ đã giải quyết thành công những thách thức trong việc tích hợp hai vật liệu năng lượng mặt trời và tạo ra các tấm pin bền và đáng tin cậy. Mặc dù hiệu suất của họ vẫn còn kém xa 34%, nhưng công trình của họ cho thấy một lộ trình đầy hứa hẹn cho các tấm pin mặt trời thế hệ tiếp theo.
Một cân nhắc khác là tính bền vững của các vật liệu được sử dụng trong các tấm pin mặt trời song song. Việc chiết xuất và xử lý một số khoáng chất trong các tấm pin mặt trời có thể tiêu tốn rất nhiều năng lượng. Bên cạnh silicon, các tấm pin mặt trời perovskite cần các nguyên tố chì, cacbon, iốt và brom làm thành phần để chúng hoạt động bình thường. Việc kết nối perovskite và silicon cũng đòi hỏi vật liệu khan hiếm có chứa một nguyên tố gọi là indium, vì vậy vẫn cần nhiều nghiên cứu để giải quyết những khó khăn này.
Bất chấp những thách thức, cộng đồng khoa học và công nghiệp vẫn cam kết phát triển các thiết bị năng lượng mặt trời song song có thể tích hợp vào hầu hết mọi thứ: ô tô, tòa nhà và máy bay.
Những phát triển gần đây hướng tới các tế bào song song perovskite-silicon hiệu suất cao cho thấy một tương lai tươi sáng cho năng lượng mặt trời, đảm bảo năng lượng mặt trời tiếp tục đóng vai trò nổi bật hơn trong quá trình chuyển đổi toàn cầu sang năng lượng tái tạo.
