Việt Nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m2. Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước. Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm. Đây là nguồn năng lượng sạch và vô cùng dồi dào đòi hỏi chúng ta phải tận dụng khai thác. Tuy nhiên việc quan tâm nghiên cứu trong lĩnh vực này ở Việt Nam còn rất nhiều hạn chế. Hiện chúng ta mới chỉ bắt đầu quan tâm khai thác nguồn năng lượng này dưới dạng chuyển đổi năng lượng nhiệt. Việc sử dụng pin mặt trời mới chỉ dưới dạng nhập khẩu các tấm pin quang điện (Photo-voltaic: PV) để lắp ráp thành các panel sử dụng dưới dạng quy mô nhỏ hay hộ gia đình. Chính vì vậy hơn lúc nào hết chúng ta cần phải tập trung nghiên cứu để có thể khai thác và sử dụng một cách hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng sạch, tái tạo lại được mà thiên nhiên ban tặng cho chúng ta. Để thực hiện nhiệm vụ này thì rất cần phải đẩy mạnh triển khai việc nghiên cứu chế tạo các linh kiện pin mặt trời.
Trên cơ sở các nghiên cứu trước đây của nhóm nghiên cứu được thực hiện như nghiên cứu chế tạo màng TiO2 cấu trúc nano sử dụng làm điện cực thu điện tử cho pin mặt trời, hay nghiên cứu chế tạo pin mặt trời hybrid trên cơ sở vật liệu TiO2 và polyme dẫn v.v…, nhóm nghiên cứu do PGS.TS Phạm Duy Long, Viện Khoa học Vật liệu đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu chế tạo pin mặt trời quang điện hóa sử dụng chất nhạy quang và chấm lượng tử dựa trên điện cực titan dioxit” nhằm mục tiêu xây dựng hướng nghiên cứu phát triển pin mặt trời thế hệ thứ 3 (pin mặt trời nano) và hướng tới việc làm chủ các công nghệ, chế tạo được các loại pin mặt trời DSSCs (Dye Sensitized Solar Cells) và QDSSCs (Quantum Dot sensitized Solar Cells). Đồng thời tìm kiếm các giải pháp công nghệ nâng cao hiệu suất, đặc biệt là với các pin mặt trời kích thước lớn để có thể tạo ra các panel pin mặt trời hướng tới mục đích ứng dụng vào thực tế.
Với mục tiêu trên đề tài tập trung vào các nhiệm vụ chính như sau:
– Tập trung nghiên cứu chế tạo pin mặt trời DSSCs kích thước lớn (10×10 cm2) để có thể tạo thành thành nguồn điện nhằm thử nghiệm khả năng ứng dụng pin mặt trời thế hệ mới.
– Nghiên cứu công nghệ chế tạo các vật liệu nano TiO2, CdS hay CdSe – và đặc biệt chú trọng vật liệu nano TiO2 nhằm làm tăng diện tích hoạt động bề mặt của vật liệu, một trong các yếu tố quan trọng để cải thiện hiệu suất của pin mặt trời.
Trên cơ sở nỗ lực của tập thể các thành viên tham gia, nhóm nghiên cứu đề tài đã được thực hiện và cơ bản đã hoàn thành các nội dung nghiên cứu và các mục tiêu đặt ra, cụ thể như sau:
– Đã tiến hành nghiên cứu và xây dựng thành công quy trình chế tạo các màng mỏng TiO2 cấu trúc nano với các hình thái học khác nhau trên đế FTO đáp ứng yêu cầu sử dụng làm điện cực trong các pin mặt trời DSSCs và QDSSCs. Trong đó màng TiO2 cấu trúc sợi nano được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt màng Ti kim loại được phủ lên đế FTO trong dung dịch 5M NaOH . Màng TiO2 ống nano được chế tạo bằng phương pháp điện hóa. Màng TiO2 dạng hạt nano được chế tạo bằng hai phương pháp là phương pháp bốc bay kết hợp ủ nhiệt và phương pháp phủ trải bằng kỹ thuật in lưới. Trên cơ sở các nghiên cứu về các phương pháp công nghệ và tính chất của vật liệu cho thấy, tạo màng bằng phương pháp in lưới đã đáp ứng hoàn toàn các yêu cầu chế tạo điện cực cho pin mặt trời DSSCs đặc biệt với pin mặt trời kích thước lớn.
– Đã tiến hành nghiên cứu chế tạo các chấm lượng tử CdS và CdSe bằng cả hai phương pháp là phương pháp hóa và phương pháp vật lý. Trong đó phương pháp vật lý sử dụng kỹ thuật bốc bay chân không để hóa hơi tạo màng mỏng các nano tinh thể CdS lên trên các đế là màng TiO2 xốp. Các đế này được sử dụng làm điện để nghiên cứu chế tạo các pin mặt trời QDSSCs.
– Pin mặt trời QDSSCs đã được nghiên cứu chế tạo thành công bằng phương pháp bay hơi tạo màng CdS cấu trúc hạt nano lên trên đế TiO2 xốp. Pin mặt trời QDSSCs trên cơ sở cấu trúc FTO/TiO2 /CdS | chất điện ly|Pt/FTO đạt hiệu suất chuyển đổi ɳ 1,08%. Kết quả cho thấy pin mặt trời QDSSCs hoàn toàn có khả năng triển khai nghiên cứu và rất có triển vọng.
– Đã tiến hành các nghiên cứu về quy trình tổng hợp các phức chất Ruthenium nhằm tìm kiếm khả năng chế tạo ra các chất nhạy màu có thể sử dụng cho chế tạo pin mặt trời nhạy sáng DSSCs.
– Đã nghiên cứu chế tạo điện cực đối Pt/FTO cấu trúc nano có tính xúc tác tốt bằng hai phương pháp phún xạ catot và nhiệt phân muối H2PtCl6. Các nghiên cứu còn cho thấy bằng việc pha thêm một lượng nhỏ CNTs vào màng Pt/FTO chế tạo bằng phương pháp nhiệt phân đã cho phép nâng cao hiệu suất của linh kiên pin mặt trời DSSC.
– Đã xây dựng và phát triển phương pháp in lưới áp dụng để chế tạo điện cực TiO2 cho pin mặt trời DSSCs. Trên cơ sở nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ và cấu tạo của điện cực lên các đại lượng đặc trưng của linh kiện pin mặt trời từ đó xây dựng được quy trình chế tạo linh kiện pin mặt trời DSSC kích thước 1×1 cm2 với các tham số đạt được như sau: Voc = 0.66 V; Jsc = 15,0 mA/cm2; FF = 0,61 và ɳ = 6,0 %. Với pin kích thước 2×2 cm2 được chế tạo dưới dạng các modul cho Voc 0,7 V; Jsc 13 mA/cm2 và hiệu suất EC trong khoảng từ 5,1 % đến 5,65 %.
– Pin mặt trời kích thước lớn (10×10) cm2 đã được thiết kế và chế tạo dưới dạng modul của 3 pin nhỏ với 24 hoặc 54 cấu tử riêng rẽ tích hợp trên một đế FTO. Kết quả cho thấy việc chia linh kiện thành các cấu tử nhở đã làm tăng đáng kể phẩm chất của pin. Các tấm pin 10×10 cm2 đạt yêu cầu với các thông số: Thế hở mạch Voc 0,7 V, mật độ dòng ngắn mạch Jsc 13 mA/cm2 với hiệu suất chuyển đổi đạt trong khoảng từ 5,1 đến 5.6%. Với 1 tấm pin diện tích 10×10 cm2 khi mắc song song hai modul cho thế hở mạch lơn hơn 0,7 V với dòng ngắn mạch đạt trên 500 mA, còn trong trường hợp mắc nối tiếp thì thế hở mạch đạt khoảng 1,4 V với dòng ngắn mạch đạt trên 250 mA. Một hạn chế lớn khi chế tạo các tấm pin DSSC dưới dạng tấm lớn đó là điện trở của lớp FTO hiện còn khá cao khoảng 7 Ohm/ , trong khi điện thế hở mạch tối đa của linh kiện chỉ vào khoảng 0,8 V vì vậy yếu tố này ảnh hưởng rất lớn đến phẩm chất của linh kiện. Mà cụ thể ở đây là hệ số điền đầy, các linh kiện tốt nhất mới chỉ đạt hệ số điền đầy trong khoảng từ 0,5 đên 0,55. Đây là vấn đề còn cần phải tiếp tục nghiên cứu tìm biên pháp khắc phục để có thể đạt hiệu suất chuyển đổi cao hơn.
– Đã tiến hành nghiên cứu thiết kế và ghép nối panel pin mặt trời từ các linh kiện chế tạo được. Các panel gồm 3 modul pin mặt trời kích thước (2×2) cm2 có thế hở mạch Voc = 4,3 V dòng ngắn mạch Isc = 75 mA và panel gồm 4 modul pin kích thước (10×10) cm2 có thế hở mạch Voc = 5,6 V dòng ngắn mạch Isc = 245 mA (0,245 A). Các panel đều cho phép thắp sáng đèn LED với điện áp làm việc từ 2 ÷ 2,5V. Với panel gồm 8 modul pim (10×10) cm2 chia làm 2 cặp 4 pin mắc song song có thế hở mạch Voc = 5,6 V dòng ngắn mạch Isc = 0,5 A hoàn toàn thể được sử dụng làm nguồn sạc cho pin trong các điện thoại di động.
– Đã xây dựng và đẩy mạnh phát triển hướng nghiên cứu về pin mặt trời với tập thể nghiên cứu có nhiều hiểu biết, kiến thức và chuyên môn sâu về thế hệ pin mặt trời thứ 3. Đã xây dựng và phát triển hệ thiết bị chế tạo điện cực TiO2 bằng phương pháp in lưới (sreen printing), hệ thiết bị đo các đặc trưng của pin mặt trời trên cơ sở hệ Solar Simulator góp phần nâng cao tiềm lực nghiên cứu về lĩnh vực pin mặt trời hiện nay.
Nghiên cứu chế tạo pin mặt trời thế hệ mới – pin mặt trời cấu trúc nano nói chung và đặc biệt pin mặt trời DSSCs là hướng nghiên cứu rất được quan tâm trên thế giới trong giai đoạn hiện nay. Đây là loại pin mặt trời có rất nhiều triển vọng bởi nó chí phí sản xuất rất thấp so với các loại pin mặt trời chuyền thống và với công nghệ không đòi hỏi quá phức tạp như đối với công nghệ pin mặt trời silic. Chính vì vậy rất phù hợp với điều kiện công nghệ trong nước. Việc đề tài đã chế tạo thành công được các linh kiện pin DSSC với kích thước lớn 10×10 cm2 đã chứng minh khả năng ở trong nước hoàn toàn có thể làm chủ các công nghệ này. Tuy nhiên trở ngại lớn nhất đối với việc triển khai loại linh kiện này vào cuộc sống đó chính là tuổi thọ của linh kiện thấp do còn đang sử dụng chất điện ly dạng lỏng. Trong một số năm trở lại đây, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã hướng tới việc sử dụng các chất polyme dẫn lỗ trống hay sử dụng một số vật liệu bán dẫn perovskite thay thế cho chất điện ly lỏng và đã thu được nhiều kết quả khả quan. Là quốc gia nằm trong vùng có rất nhiều tiềm năng về năng lương mặt trời thì việc phát triển các nghiên cứu về chế tạo pin mặt trời và khai thác nguồn năng lượng gần như vô tận và là nguồn năng lượng xanh là rất cần thiết do đó với mong muốn phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài theo hướng nâng cao hiệu suất đồng thời rắn hóa linh kiện pin mặt trời DSSCs để có thể hiện thực hóa việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời, góp phần đưa khoa học kỹ thuật vào đời sống. Nhóm nghiên cứu mong tiếp tục nhận đươc sự quan tâm và hỗ trợ nhiều hơn nữa từ phía Viện và Bộ khoa học trong việc đầu tư và tạo điều kiện thuận lợi để đẩy mạnh hơn nữa hướng nghiên cứu về lĩnh vực này để góp phần thúc đẩy nhanh quá trình ứng dụng các kết quả nghiên cứu khoa học cơ bản vào phục vụ đời sống.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 13120-2016) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.
P.T.T (NASATI)