Pin Mặt trời - Mặt tối của năng lượng sạch

Liệu quá trình sản xuất và chất thải của chúng có tạo ra nhiều chất ô nhiễm hơn so với nhiên liệu hóa thạch mà chúng nhằm mục đích thay thế hay không?

Các tấm pin Mặt trời có tuổi thọ hoạt động khoảng 20 đến 30 năm. Kể từ khi người ta bắt đầu sử dụng chúng một cách rộng rãi vào những năm 2000 như một giải pháp thay thế nhiên liệu hóa thạch trên toàn cầu, nhiều tấm pin cho đến nay đã gần hết tuổi thọ và trở thành chất thải khó tái chế.

Bên trong tấm pin Mặt trời có gì?

Một tấm pin Mặt trời cấu tạo từ nhiều mảng tinh thể silic gọi là tế bào (cell). Mỗi tế bào nằm kẹp giữa một lớp nhôm và kính. Cùng với nhau, chúng tạo thành các bộ phận sản xuất năng lượng, giúp chuyển đổi ánh sáng Mặt trời thành điện năng.

Khi nguyên tử silic tiếp xúc với ánh sáng Mặt trời, các electron sẽ bị đẩy ra khỏi nguyên tử và tạo ra tia lửa giống như khi bạn cho kim loại vào lò vi sóng. Những electron này chuyển động trong tế bào quang điện thông qua các tạp chất kim loại được thêm vào silic và dây dẫn đồng mang nó đi dưới dạng dòng điện.

Cấu trúc tinh thể silic là môi trường rất phù hợp cho sự dịch chuyển của các electron. Đây là lý do người ta dùng vật liệu này để chế tạo pin Mặt trời. Tuy nhiên, quá trình sản xuất các tế bào quang điện cũng thường phát thải nitơ triflorua (NF3), lưu huỳnh hexaflorua(SF6)và nhiều loại khí nhà kính gây hại khác.

Vấn đề xử lý rác thải từ pin Mặt trời

Thông thường, silic có thể tái chế nhưng để cải thiện hiệu suất điện của pin Mặt trời, người ta đã thêm vào đó các kim loại độc hại như cadimi (Cd) và chì (Pb). Điều này làm cho việc tái chế pin Mặt trời trở nên khó khăn, vì sẽ cần một nguồn năng lượng đáng kể để phân tách các kim loại nguy hiểm. Trên thực tế, đôi khi việc tái chế một tấm pin Mặt trời tốn nhiều chi phí hơn so với sản xuất một tấm pin Mặt trời mới.

Hầu hết các nhà máy tái chế pin Mặt trời chỉ thu hồi các kim loại có giá trị bao gồm bạc và đồng ra khỏi tế bào quang điện để tái sử dụng, sau đó tái chế thủy tinh và vỏ bọc nhựa bị nhiễm bẩn bằng cách đốt chúng trong lò nung. Vì quá trình này tốn kém và mất nhiều thời gian nên các công ty năng lượng Mặt trời sẽ thuận tiện hơn khi vứt những tấm pin đã hết hạn sử dụng vào bãi chôn lấp hoặc xuất khẩu sang các nước đang phát triển hoặc có nền kinh tế yếu.

Mặc dù một bãi chôn lấp được xây dựng đúng cách sẽ lưu giữ hầu hết các chất độc hại trong chất thải, nhưng một số quốc gia đang phát triển không có cơ sở hạ tầng hoặc quy định để xử lý đúng cách chất thải từ tấm pin năng lượng Mặt trời nhập khẩu. Khả năng rò rỉ các kim loại nguy hiểm vào môi trường xung quanh có thể gây ra vấn đề sức khỏe cộng đồng, đặc biệt là ở một quốc gia không có các thiết bị xử lý cần thiết. Khi con người tiếp tục gia tăng sử dụng năng lượng Mặt trời, vấn đề này có thể trở nên tồi tệ hơn trong những thập kỷ tới, với ước tính gần 80 triệu tấn chất thải từ pin Mặt trời vào năm 2050.

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng các kim loại nặng trong tấm pin Mặt trời – chủ yếu là chì và cadimi – có thể rò rỉ ra khỏi tế bào quang điện, ngấm xuống nước ngầm và ảnh hưởng đến thực vật xung quanh. Những kim loại này cũng gây ra nhiều tác động có hại đến sức khỏe con người. Chì là chất làm giảm sự phát triển não bộ ở trẻ em và cadimi là chất gây ung thư.

Việc tái chế các tấm pin năng lượng Mặt trời có thể giảm thiểu nguy cơ mà chúng gây ra và may mắn thay, vẫn tồn tại các phương pháp tái chế chúng một cách hiệu quả. First Solar, công ty năng lượng Mặt trời lớn nhất của Mỹ, có các cơ sở có thể phân tách 90% vật liệu trong các tấm pin, sau đó tái chế chúng trở lại thành pin Mặt trời hoặc thiết bị điện tử mới. Veolia, một công ty xử lý chất thải của Pháp, đã xây dựng nhà máy đầu tiên ở châu Âu dành riêng cho việc tái chế pin Mặt trời. Vấn đề là phải thuyết phục các công ty khác cũng lựa chọn giải pháp tái chế, thay vì chọn phương án rẻ hơn là ném các tấm pin vào bãi chôn lấp.

Hiện tại, Trung Quốc và Mỹ là những quốc gia sử dụng nhiều tấm pin Mặt trời nhất, nhưng chỉ có châu Âu thực hiện các biện pháp buộc các nhà sản xuất phải chịu trách nhiệm về chất thải của họ. Liên minh châu Âu yêu cầu các công ty năng lượng Mặt trời thu thập và tái chế các tấm pin với chi phí tái chế được tính vào giá bán. Bằng cách này, các chất thải độc hại và tác động của chúng đến môi trường được giảm thiểu, và giá bán tấm pin Mặt trời chỉ tăng nhẹ cho người tiêu dùng. Mỹ và Trung Quốc sẽ không sớm áp dụng các quy định tương tự như châu Âu. Cho đến nay,Washington là tiểu bang duy nhất ở Mỹbắt buộc các nhà sản xuất phải thải bỏ các tấm pin Mặt trời tại một cơ sở xử lý chuyên dụng.

Đổi mới năng lượng Mặt trời

Nhiều công ty khởi nghiệp công nghệ đã tìm cách làm cho quy trình sản xuất pin Mặt trời trở nên sạch hơn. Một số nhà khoa học đang tìm kiếm những phương pháp mới để tinh chế silic cho pin Mặt trời, hoặc đang thử nghiệm silic có mức độ tinh khiết thấp hơn nhằm giảm chi phí sản xuất.

Ngoài ra, một tiến bộ gần đây trong công nghệ năng lượng Mặt trời có thể loại bỏ hoàn toàn silic bằng cách sử dụng một vật liệu gọi là perovskite. Thay vì dùng tinh thể silic, pin Mặt trời perovskite được làm bằng tinh thể kim loại, thường là chì. Nguyên liệu thô và quá trình chế tạo tế bào quang điện perovskite chì rẻ hơn nhiều so với silic trong các tấm pin Mặt trời truyền thống. Hiện tại, Trung Quốc đang sản xuất pin Mặt trời perovskite bằng vật liệu chì lấy từpin axit chì và ắc quy tái chế, làm giảm tác động môi trường của loại chất thải này.

Có chỉ một vài cách sản xuất tế bào năng lượng Mặt trời silic, nhưng có rất nhiều cách sản xuất tế bào quang điện perovskite để dùng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Điều đáng kỳ vọng nhất là hiệu suất hoạt động của tế bào perovskite có thể sánh ngang với tế bào silic. Và trong tương lai, chúng ta cũng không cần phải quá lo lắng về thành phần chì độc hại trong pin Mặt trời perovskite. Các nhà khoa học gần đây đã phát triển thành công tế bào quang điện perovskite làm từ những kim loại không độc hại như thiếc (Sn) hoặc gecmani (Ge), và chúng ngày càng tiến gần hơn đến hiệu suất hoạt động của các tế bào sử dụng chì.

Bất kể thành phần cấu tạo là gì, pin Mặt trời sẽ trở thành một phần quan trọng của đời sống con người trong tương lai khi chúng ta dần hạn chế sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Chúng ta sẽ chứng kiến sự gia tăng nhanh chóng của các tấm pin Mặt trời trong những thập kỷ tới, kéo theo đó là một lượng lớn chất thải nguy hại có thể không được xử lý đúng cách. Mặc dù năng lượng Mặt trời được biết đến như một nguồn năng lượng tái tạo, nhưng xã hội loài người cũng cần phải giải quyết các vấn đề chất thải mà nó gây ra, nếu không việc khai thác năng lượng ánh sáng có thể khiến chúng ta rơi vào tình trạng tối tăm hơn trước.