Trong lĩnh vực công nghệ quang điện, pin mặt trời silicon chiếm đến 90% thị trường. Xét về chi phí, mức độ ổn định và hiệu suất (20-22% đối với pin mặt trời thông dụng trên thị trường), thì pin mặt trời silicon vượt trội về khả năng cạnh tranh.
Tuy nhiên, sau nhiều thập kỷ nghiên cứu và đầu tư, pin mặt trời silicon hiện gần đạt hiệu suất lý thuyết tối đa. Cần có những loại pin mới để giảm giá điện mặt trời về lâu dài và cho phép công nghệ quang điện trở thành một phương thức phổ biến để sản xuất điện.
Một giải pháp được đưa ra, là đặt hai loại pin mặt trời khác nhau chồng lên nhau để tăng tối đa việc chuyển đổi các tia nắng mặt trời thành điện năng. Hai pin mặt trời ghép nối này đã được cộng đồng khoa học nghiên cứu rộng rãi, nhưng chi phí sản xuất đắt đỏ. Giờ đây, nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quang điện thuộc trường Đại học bách khoa liên bang Lausanne (EPFL) và Trung tâm PVEM PV đã đưa ra một giải pháp cạnh tranh kinh tế. Theo đó, các nhà khoa học đã gắn pin perovskite trực tiếp lên trên pin silicon thông thường để đạt hiệu suất kỷ lục là 25,2%. Đây là phương thức triển vọng vì sẽ chỉ cần một vài bước bổ sung cho quy trình sản xuất pin silicon hiện nay và chi phí sẽ hợp lý. Nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Nature Materials.
Pin Perovskite-silicon
Tính chất độc đáo của perovskite đã thôi thúc việc thực hiện nhiều nghiên cứu sử dụng vật liệu này cho pin mặt trời trong vài năm qua. Trong khoảng 9 năm, hiệu suất của loại pin này đã tăng theo hệ số 6. Perovskite cho phép đạt hiệu suất chuyển đổi cao nhưng chi phí sản xuất thấp.
Trong các pin kết nối song song, perovskite bổ sung cho silicon thông qua chuyển đổi ánh sáng xanh dương và xanh lá cây hiệu quả hơn, trong khi silicon lại chuyển đổi ánh sáng đỏ và hồng ngoại tốt hơn. Florent Sahli và Jérémie Werner, những tác giả chính của nghiên cứu cho rằng: “Bằng cách kết hợp hai vật liệu, chúng tôi có thể tối ưu hóa việc sử dụng quang phổ mặt trời và tăng sản lượng điện. Các tính toán và nghiên cứu mà chúng tôi thực hiện cho thấy hiệu suất 30% sẽ sớm đạt được“.
Tuy nhiên, việc tạo ra một cấu trúc song song hoạt động hiệu quả bằng cách xếp chồng hai vật liệu lên nhau không phải là nhiệm vụ dễ dàng. Quentin Jeangros, đồng tác giả giải thích: “Bề mặt của silicon bao gồm một chuỗi kim tự tháp có kích thước khoảng 5 micron, giữ lại ánh sáng và ngăn chặn không để ánh sáng bị phản xạ. Tuy nhiên, kết cấu bề mặt gây khó khăn cho việc lắng đọng màng perovskite đồng nhất. Khi perovskite được lắng đọng ở dạng lỏng, nó thường tích tụ trong các rãnh giữa những kim tự tháp trong khi để lộ các đỉnh, gây ra hiện tượng đoản mạch“.
Một lớp quan trọng đảm bảo cấu trúc vi mô tối ưu
Nhóm nghiên cứu đã giải quyết vấn đề đó bằng cách sử dụng các phương pháp bay hơi để tạo thành một lớp nền vô cơ bao phủ toàn bộ kim tự tháp. Lớp đó xốp cho phép giữ lại dung dịch hữu cơ dạng lỏng, sau đó được bổ sung bằng kỹ thuật lắng đọng màng mỏng. Tiếp đến, các nhà nghiên cứu đã làm nóng chất nền ở nhiệt độ tương đối thấp 150°C để kết tinh một màng đồng nhất của perovskite trên kim tự tháp silicon.
Nâng cấp các công nghệ hiện có
Loại pin mới ghép nối song song có hiệu quả cao và tương thích trực tiếp với các công nghệ silicon đơn tinh thể đã được tạo ra và mang lại lợi nhuận. Christophe Ballif, trưởng phòng thí nghiệm quang điện của EPFL và Trung tâm PV CSEM giải thích: “Chúng tôi đang đề xuất sử dụng thiết bị sẵn có mà chỉ cần bổ sung thêm vài khâu. Các nhà sản xuất sẽ không sử dụng công nghệ pin mặt trời hoàn toàn mới, mà chỉ nâng cấp các dây chuyền sản xuất đã được sử dụng cho pin silicon”.
Hiện tại, nghiên cứu vẫn đang được tiếp tục để tăng hơn nữa hiệu suất và mang đến cho màng perovskite độ ổn định lâu dài. Dù các nhà khoa học đã tạo bước đột phá, nhưng vẫn cần nghiên cứu trước khi công nghệ được chấp nhận thương mại.
N.P.D (NASATI), theo https://www.sciencedaily.com/releases/2018/06/180611133535.htm,