Perovskite - công nghệ vật liệu đột phá

Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng sạch hàng đầu. Thời gian qua, công nghệ sản xuất điện mặt trời phát triển rất nhanh, hiệu suất phát điện nâng cao và giá thành hạ xuống. Tuy nhiên, tỷ trọng đóng góp của mảng năng lượng sạch này vẫn chỉ chiếm khoảng 1% tổng cung năng lượng toàn cầu.

Nguyên nhân cơ bản làm chậm tiến độ phát triển năng lượng mặt trời chính là năng lượng mặt trời cần mức chi phí ban đầu rất cao vào hiệu suất chuyển hóa năng lượng.

Pin mặt trời là bộ phận biến năng lượng mặt trời thành điện năng trong các hệ thống phát điện mặt trời. Hiện người tiêu dùng chỉ có vài lựa chọn hạn chế. Tuyệt đại đa số pin mặt trời hiện này đều làm từ silicon. Tuy nhiên, loại pin này còn xa mới đạt đến mức hoàn hảo. Hiệu suất chuyển hóa năng lượng trung bình của loại pin truyền thống này chỉ đạt tối đa 16-20%.

Các nhà khoa học đã rất nỗ lực để khắc phục hạn chế của pin silicon. Nhiều công ty tư nhân đầu tư đáng kể cho việc cải thiện hiệu năng của pin silicon. Hướng nghiên cứu còn lại tập trung vào việc phát triển các loại pin mặt trời mới với các vật liệu và công nghệ sản xuất mới.

Hướng nghiên cứu vật liệu thay thế đang đem lại những kết quả đáng khích lệ. Theo nhiều chuyên gia, pin perovskite có thể sẽ là phát hiện đột phá với giá thành rẻ và hiệu suất làm việc tương đương hoặc cao hơn so với pin silicon.

Thuật ngữ “perovskite” lấy từ loại vật liệu quan trọng nhất dùng để sản xuất loại pin này. Perovskite là các vật liệu có dạng cấu trúc tinh thể đặc biệt. CaTiO3 chính là khoáng chất perovskite được biết đến nhiều nhất.

Theo Nitin Padture - Giáo sư Đại học Brown (Mỹ) chuyên về lĩnh vực vật liệu nano và phân tử, perovskite bắt đầu được thử nghiệm để làm pin mặt trời từ những năm 2009. Hiệu suất chuyển hóa năng lượng trong những thí nghiệm đầu tiên chỉ khoảng 5%, tuy nhiên con số này tăng rất nhanh. Đến nay, nhiều chuyên gia cho rằng pin perovskite chính là phát minh hứa hẹn nhất trong nghiên cứu năng lượng mặt trời.

Ưu thế hàng đầu của pin mặt trời perovskite là giá thành. Trong khi các tinh thể silicon chất lượng cao cần được sản xuất dưới điều kiện nhiệt độ cao với những quy trình chính xác thì các tấm pin perovskite chỉ cần được chế tạo ở nhiệt độ gần với mức bình thường, bằng các phương pháp đơn giản. Điều này khiến cho giá thành giảm xuống rất thấp.

Đương nhiên, giá rẻ sẽ không có ý nghĩa gì nếu hiệu suất làm việc không đạt yêu cầu. Hiện các nhà nghiên cứu đã tạo được các tấm pin perovskite với hiệu suất chuyển hóa tương đương pin mặt trời đang được sử dụng phổ biến trên thị trường - tức là khoảng hơn 20%.

Dự báo, 5-10 năm tới pin perovskite mới được bán rộng rãi trên thị trường. Tuy nhiên, do các tín hiệu ban đầu quá tốt, các nhà nghiên cứu đã đầu tư tìm hiểu các cách thức ứng dụng khác nhau cho sản phẩm này. Khi giá cả, hiệu suất chuyển hóa đạt mức để cạnh tranh với các sản phẩm hiện có, pin perovskite có thể được sử dụng trong các hệ thống phát điện mặt trời giống như pin silicon hiện nay.

Mặt khác, tương lai thật sự của năng lượng mặt trời sẽ phụ thuộc vào các kỹ thuật thực nghiệm mới tích hợp pin perovskite trên bề mặt các tấm pin silicon để tối ưu hóa hiệu suất phát điện tổng cộng.

Theo Giáo sư McGehee, trên thực tế pin silicon hấp thụ năng lượng mặt trời ở bước sóng khác so với vật liệu perovskite. Nếu kết hợp, loại pin mới sẽ có phổ năng lượng chuyển hóa lớn hơn so với việc dùng từng loại pin riêng.

Ông McGehee cho biết thêm, với khoản đầu tư khá lớn từ rất nhiều công ty vào công nghệ pin silicon, việc tiếp cận thị trường của các loại pin mặt trời chỉ sử dụng perovskite là không dễ dàng - ngay cả khi nó có khả năng cạnh tranh thật sự. Do đó, việc kết hợp sẽ vừa giúp nâng cao hiệu suất của các tấm pin hiện tại, vừa thúc đẩy công nghiệp pin mặt trời theo hướng làm lợi cho tất cả các bên, giảm thiểu sự cạnh tranh triệt tiêu giữa hai loại vật liệu khác nhau.

Theo ông Padture, cũng có thể có những cách ứng dụng khác hứa hẹn không kém. Không giống pin silicon, pin perovskite có thể tồn tại ở dạng trong suốt hoặc được làm thành các màu sắc khác nhau. Loại pin này có thể lắp đặt tại những điểm mà việc dùng pin silicon là bất khả thi - như cửa sổ. Do đó, ở những trường hợp này không cần phải cạnh tranh với pin silicon, chúng có giá trị riêng của mình.

Hiện một vài công ty đã đầu tư vào nghiên cứu vật liệu perovskite, trong đó có Oxford PV - công ty của Đại học Oxford, thành lập với mục đích thương mại hóa công nghệ này. Giáo sư Padture hy vọng Chính phủ Mỹ sẽ đầu tư nhiều hơn cho hướng nghiên cứu này, trong bối cảnh pin silicon truyền thống đã nhận được sự quan tâm tương đối đầy đủ từ các công ty tư nhân.

Kết hợp với các hướng phát triển khác như sử dụng chính sách trợ cấp năng lượng sạch hoặc đánh thuế cácbon, hoạt động nghiên cứu về công nghệ năng lượng mặt trời mới sẽ tạo điều kiện tăng sức cạnh tranh của lĩnh vực này và cuối cùng sẽ góp phần cải thiện môi trường.