Perovskite có thể là tương lai của năng lượng mặt trời

Mặt trời là nguồn năng lượng bất tận cho Trái đất. Một phần ánh sáng mặt trời hiện đang được chuyển hóa thành điện năng nhờ các tấm pin năng lượng mặt trời: tính đến cuối năm 2023, các tấm pin mặt trời đã bao phủ gần 10.000 km² bề mặt Trái đất, tạo ra 1.600 terawatt giờ điện, tương đương với 6% lượng điện được sản xuất trên toàn thế giới.

Cứ ba năm, tổng công suất lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời lại tăng gấp đôi, nhờ vào sự cạnh tranh khốc liệt giữa các công ty Trung Quốc và hỗ trợ từ chính phủ, khiến giá tế bào quang điện silicon giảm mạnh. Đồng thời, các nhà nghiên cứu cũng đã cải tiến khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời, giúp tấm pin có hiệu suất chuyển đổi khoảng 22-24%, cao hơn nhiều so với mức 6% của pin mặt trời đầu tiên do phòng thí nghiệm Bell Labs phát minh vào những năm 1950, thời điểm mà năng lượng mặt trời rất đắt đỏ và chỉ dùng cho vệ tinh.

Tuy nhiên, mọi quá trình đều có giới hạn. Trên lý thuyết, hiệu suất tối đa mà tế bào quang điện silicon có thể đạt được là khoảng 29%. Phần còn lại của năng lượng mặt trời sẽ bị mất dưới dạng nhiệt năng. Giới hạn lý thuyết tối đa này cũng chỉ có thể đạt được trong điều kiện phòng thí nghiệm. Trên thực tế, khi được lắp ghép thành tấm pin mặt trời, hiệu suất tổng thể khó có thể vượt quá 26% do các yếu tố kỹ thuật như khoảng trống giữa các tế bào và tổn thất năng lượng qua dây dẫn. Tuy nhiên, tương lai của năng lượng mặt trời có thể sáng sủa hơn với loại pin mới làm từ vật liệu perovskite. Chúng có khả năng nâng hiệu suất thực tế lên hơn 30%.

Các tế bào quang điện thường gồm hai lớp silicon siêu tinh khiết, được pha thêm phụ gia để trở thành chất bán dẫn. Khi hấp thụ ánh sáng, electron trong silicon nhận đủ năng lượng để nhảy qua lớp tiếp xúc, tạo ra dòng điện. Mặc dù có nhiều chất bán dẫn có thể tạo ra hiệu ứng tương tự, nhưng không chất nào phổ biến và rẻ như silicon, do chúng được sản xuất từ cát.

Perovskite ban đầu là một khoáng chất tên là canxi titan oxit, được phát hiện vào năm 1839. Cái tên này giờ được dùng để chỉ một họ tinh thể có cùng cấu trúc và tính chất. Sự hấp dẫn của perovskite đối với các nhà nghiên cứu không chỉ nằm ở khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời tuyệt vời, mà còn ở việc chúng dễ dàng sản xuất từ các vật liệu dễ kiếm, bao gồm một số kim loại và halogen như clo, brom và iốt.

Tuy nhiên, perovskites dễ bị xuống cấp và ẩm, gây khó khăn trong việc khai thác. Do vậy, các nhà nghiên cứu đang nỗ lực điều chỉnh quy trình sản xuất để cải thiện tính ổn định và bảo vệ các tế bào quang điện perovskite khỏi yếu tố bên ngoài.

Oxford PV, một công ty khởi nguồn từ trường đại học Oxford (Anh), là một trong những đơn vị tiên phong phát triển tấm pin perovskite. Công ty đã tạo ra các tế bào song song với lớp perovskite mỏng trên lớp silicon, giúp khai thác năng lượng mặt trời hiệu quả hơn bằng cách cho phép perovskite hấp thụ ánh sáng xanh và silicon hấp thụ ánh sáng đỏ.

Công ty đã mở một nhà máy tại Đức và cung cấp các tấm pin song song thương mại đầu tiên cho một công ty điện lực ở Mỹ. Các tấm pin này được lắp đặt cùng với tấm pin thuần silicon tại một trang trại điện mặt trời mới để thử nghiệm về hiệu quả, độ bền và tuổi thọ. Vì tấm pin silicon có thể hoạt động tới 20-25 năm nên tấm pin chứa perovskite cũng phải chứng minh khả năng tương tự.

Các tấm pin perovskite-silicon đầu tiên của Oxforf PV có hiệu suất trung bình là 24,5%. Họ đang phát triển một thế hệ mới với hiệu suất đạt 26,9% và con số này dự kiến sẽ tăng lên hơn 30% khi nghiên cứu tiếp tục. Giới hạn hiệu quả lý thuyết cho một tế bào quang điện song song trong phòng thí nghiệm là khoảng 43%, mặc dù chúng có thể giảm đi đôi chút khi được tích hợp vào bảng điều khiển. Dĩ nhiên, giá cả ban đầu của các tế bào song song sẽ cao hơn giá thương mại hiện nay của tế bào silicon, nhưng xu hướng giá sẽ giảm khi quy mô kinh tế tăng lên.

Nhiều công ty cũng đang tiến gần đến việc thương mại hóa các tấm pin mặt trời perovskite-silicon. Tập đoàn công nghiệp lớn của Hàn Quốc Hanwha đã đầu tư 137 tỷ won (102 triệu USD) vào một nhà máy sản xuất pin song song cho dòng tấm pin mặt trời Qcells, với hiệu suất tối đa trong phòng thí nghiệm đạt 29,3%.

Không có gì đáng ngạc nhiên khi các nhà cung cấp Trung Quốc cũng đang bận rộn khám phá perovskites. Hồi tháng sáu, LONGi Green Energy Technology, một nhà sản xuất pin mặt trời lớn ở nước này, đã thiết lập kỷ lục thế giới với hiệu suất cho tế bào perovskite trong phòng thí nghiệm đạt 34,6%, và đang nghiên cứu quy trình sản xuất hàng loạt từ tháng 10/2023, với một tấm pin nguyên mẫu có kích thước thương mại đạt 30,1%. Tuy nhiên, công ty vẫn chưa công bố thời gian bắt đầu sản xuất.

Các tế bào song song perovskite mang lại nhiều tín hiệu tích cực cho lĩnh vực năng lượng mặt trời nếu chúng chứng minh được hiệu quả trong thực tế. Nếu thành công, các công ty Trung Quốc chắc chắn sẽ triển khai công nghệ này rộng rãi, dẫn đến sự gia tăng công suất lớn trên toàn thế giới nhờ khả năng tận dụng ánh sáng mặt trời tốt hơn.

Mặc dù có nhiều vật liệu khác đang được phát triển cho pin mặt trời, như gallium arsenide, nhưng chi phí cao và ứng dụng hạn chế cho những ngành chuyên dụng như hàng không vũ trụ khiến chúng khó cạnh tranh. Hiện tại, perovskites vẫn là lựa chọn vượt trội cho ngành năng lượng mặt trời.

Nguồn: The Economist