Một bước tiến quan trọng của công nghệ năng lượng mặt trời

Phương pháp mới của khoa Khoa học ứng dụng và kĩ thuật xây dựng,Trường đại học Toronto, có thể khiến việc in các tấm pin mặt trời dễ dàng và rẻ như là in một trang giấy. Tiến sĩ Hairen Tan và đội của ông đã xóa một trở ngại quan trọng trong sự phát triển của một loại thiết bị mới gọi là các tấm pin mặt trời Perovskite. Công nghệ năng lượng mặt trời thay thế này có thể dẫn đến chi phí sản xuất thấp, các tấm pin có thể tự in và có khả năng biến gần như bất kì bề mặt nào trở thành một máy phát điện.

“Tính kinh tế của quy mô đã làm giảm đáng kể chi phí sản xuất silicon”, giáo sư Ted Sargen, một chuyên gia về công nghệ năng lượng mặt trời và cũng là chủ tịch hội nghiên cứu công nghệ nano Canada cho biết.

“Các tấm pin Perovskite có thể cho phép chúng tôi sử dụng các kĩ thuật hiện hành của ngành công nghiệp in ấn để sản xuất các tấm pin mặt trời với giá thành cực thấp. Có khả năng các tấm pin sử dụng vật liệu Perovskite và các tấm pin silicon có thể kết hợp lại để nâng cao hiệu quả hơn nữa,nhưng chỉ với những tiến độ trong quá trình nhiệt độ thấp”.

Ngày nay, hầu như tất cả các tấm pin năng lượng mặt trời thương mại được làm từ những miếng silicon tinh thể mỏng và phải được xử lí để có một độ tinh khiết thật cao. Đó là một quá trình tốn nhiều năng lượng, đòi hỏi nhiệt độ cao hơn 1.000 độ C và một lượng lớn dung môi độc hại.

Ngược lại thì các tấm pin mặt trời sử dụng vật liệu Perovskite phụ thuộc vào một lớp tinh thể nhỏ-nhỏ hơn 1.000 lần so với chiều rộng của một sợi tóc con người-có thể được sản xuất với một chi phí sản xuất thấp và các vật liệu nhạy sáng. Bởi vì các vật liệu Perovskite thô có thể được trộn vào với một loại chất lỏng để tạo ra một loại “mực in mặt trời”. Chúng có thể được in lên bề mặt thủy tinh, nhựa hoặc các vật liệu khác bằng việc sử dụng một quá trình in phun đơn giản”.

Nhưng cho đến nay đã có một nhược điểm: Để tạo ra điện, các electron được kích thích bằng năng lượng mặt trời phải được chiết xuất từ các tinh thể để chúng có thể chạy qua một lớp mạch. Quá trình chiết xuất đó xảy ra trong một lớp đặc biệt được gọi là lớp electron có chọn lọc hay ESL. Khó khăn trong việc sản xuất một lớp ESL tốt là một trong những thách thức chính làm chậm lại sự phát triển của các thiết bị pin mặt trời dùng vật liệu Perovskite.

“Các vật liệu hiệu quả nhất để tạo ra ESL được sản xuất từ một loại bột và phải được nung ở nhiệt độ cao, trên 500 độ C”, ông Tan nói. “Bạn không thể đặt nó lên bề mặt của một tấm nhựa dẻo hoặc một tấm silicon-nó sẽ tan chảy.”

Ông Tan và các đồng nghiệp của ông đã phát triển một phản ứng hóa học mới hơn cho phép họ phát triển một loại ESL làm từ các hạt nano trong dung dịch, trực tiếp trên đầu của điện cực. Trong khi nhiệt độ vẫn còn cần thiết, quá trình này luôn ở dưới 150 độ C, thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của nhiều loại nhựa.

Các hạt nano mới được phủ một lớp nguyên tử Clo, giúp chúng liên kết với các lớp Perovskite-sự liên kết mạnh mẽ này cho phép khai thác hiệu quả sự chiết xuất. Trong một bài báo gần đây công bố trên báo Science, ông Tan và các đồng nghiệp đã báo cáo hiệu quả của các tế bào năng lượng mặt trời sản xuất bằng phương pháp mới ở mức 20,1%.

“Đây là điều tốt nhất được báo cáo cho những công nghệ sử dụng quá trình xử lý nhiệt độ thấp”, ông Tan nói.

Ông cũng cho biết thêm rằng các tấm pin năng lượng mặt trời Perovskite sử dụng phương pháp cũ ở nhiệt độ cao hơn cũng chỉ nhỉnh hơn ở 22,1% và thậm chí các tấm pin mặt trời tốt nhất cũng chỉ có thể đạt 26,3%.

Một lợi ích khác là sự ổn định. Nhiều tấm pin mặt trời Perovskite bị giảm hiệu quả sau vài giờ hoạt động nhưng những tấm pin của ông Tan đã giữ lại khoảng 90% hiệu quả ngay cả sau 500 giờ hoạt động.

“Tôi nghĩ rằng kĩ thuật mới của chúng tôi đã mở ra một con đường để giải quyết vấn đề này”, ông Tan nói.

“ Các nghiên cứu tính toán của nhóm nghiên cứu ĐH Toronto đã giải thích được vai trò của lớp ESL mới được phát triển. Công việc của họ đã giúp phát triển các thiết bị năng lượng thế hệ mới một cách hợp lý.”, giáo sư Alan Aspuru-Guzik, một chuyên gia về khoa học vật liệu tại Khoa Hóa học và Sinh Hóa học tại đại học Havard, người không tham gia vào nghiên cứu,nhận xét.

“Để phát triển các tấm pin mặt trời tốt nhất,công nghệ các lớp màng mỏng thế hệ mới cần có quá trình tương thích với một tấm pin.Điều này đòi hỏi nhiệt độ xử lí thấp như nhóm của ĐH Toronto đã báo cáo trên báo Science.”, Giáo sư Luping Yu, một chuyên gia xử lí các vấn đề về pin mặt trời tại ĐH Hóa học Chicago, người không tham gia vào nghiên cứu nhận xét.

“Giữ mát trong quá trình sản xuất sẽ mở ra một thế giới mới của những khả năng cho các ứng dụng của các tấm pin mặt trời sử dụng vật liệu gốm Perovskite-silicon, từ vỏ điện thoại thông minh để mang lại khả năng sạc điện bằng năng lượng mặt trời đến các cửa sổ sử dụng năng lượng mặt trời để giảm tiền điện. Trong tương lai gần, Công nghệ của ông Tan có thể được sử dụng song song với các tấm pin năng lượng mặt trời thông thường.”

“Với quá trình nhiệt độ thấp của chúng tôi, chúng tôi có thể phủ lớp vật liệu gốm perovskite của chúng tôi trực tiếp lên silicon mà không làm hỏng các vật liệu cơ bản”. Ông Tan nói. “Nếu một tế bào lai giữa perovskite và silicon có thể đẩy hiệu quả hoạt động lên đến 30% hoặc cao hơn thì nó sẽ làm năng lượng mặt trời trở nên quan trọng khi cân nhắc về vấn đề kinh tế”.

Quang Thiên (Theo Science Daily)