Góc nhìn chuyên gia: Liệu có tương lai cho pin mặt trời bằng chất dẻo quang điện ở quy mô lớn không?

Bài viết của Jens Wenzel Andreasen, Giáo sư khoa DTU Energy, ngày 2 tháng 4 năm 2022.

 

Các tấm pin năng lượng mặt trời làm bằng silicon đang thống trị thị trường ngày nay và chúng đã làm được điều đó kể từ lần đầu tiên nhìn thấy ánh sáng cách đây hơn 60 năm.

 

Nhưng, “chúng tôi sử dụng silicon cho pin mặt trời vì chúng tôi giỏi chế tạo các thành phần silicon, không phải vì silicon nhất thiết phải là vật liệu tốt nhất cho pin mặt trời.” Marie Mayer của Đại học Berkeley nói.

 

Nói cách khác, pin mặt trời silicon là sản phẩm phụ của cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp bán dẫn, dựa trên việc khám phá ra các phương pháp sản xuất tinh thể silicon rất tinh khiết với nồng độ khuyết tật thấp và được kiểm soát tốt.

 

Không hiệu quả lắm

 

Thật không may, silicon không hấp thụ ánh sáng mặt trời hiệu quả lắm và do đó pin mặt trời phải tương đối dày, xấp xỉ 100-200 µm để hấp thụ nhiều năng lượng nhất có thể trên mỗi đơn vị diện tích.

 

Và việc sản xuất silicon tinh khiết đòi hỏi nhiệt độ rất cao, ít nhất là 1800 °C với lượng lớn nguyên liệu phải sử dụng cùng, điều này đặt ra một thách thức lớn đối với việc chuyển đổi sang năng lượng tái tạo.

 

Hiện tại, năng lượng tái tạo chỉ chiếm chưa đến 10% nguồn cung cấp năng lượng toàn cầu, và do đó, việc sản xuất công nghệ năng lượng tái tạo rất tốn năng lượng như pin mặt trời silicon sẽ dẫn đến phát thải CO₂ đáng kể.

 

Vì vậy, các vật liệu cho pin mặt trời thế hệ mới vẫn đang được tập trung nghiên cứu nhằm chuyển đổi quang năng thành điện năng hiệu quả hơn, nó được gọi là chất bán dẫn vùng cấm thẳng, trong đó mỗi photon bị hấp thụ có thể kích thích một điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn.

 

Nó bao gồm, một nhóm lớn các phân tử và polyme hữu cơ (gốc carbon) đạt được khả năng hấp thụ tốt trong các màng dày 100-200 nm, tức là mỏng hơn silicon 1000 lần và có thể được sản xuất với năng lượng tiêu thụ thấp hơn đáng kể.

 

Lĩnh vực nghiên cứu này đã phát triển vượt bậc kể từ đầu thiên niên kỷ khi Alan Heeger, Alan MacDiarmid và Hideki Shirakawa nhận giải Nobel phát hiện ra polyme dẫn điện. Cho đến một vài năm trước, phần lớn pin mặt trời hữu cơ (pin mặt trời bằng chất dẻo quang điện) được làm từ hỗn hợp của một polymer “donor-chất cho”và một “acceptor-chất nhận”, bao gồm 60-70 nguyên tử cacbon tạo thành một hình cầu, nó còn được gọi là “bucky-ball”.

 

Hiệu suất trên 20% đang đến rất gần

 

Polyme hấp thụ ánh sáng mặt trời và “tặng” một điện tử cho chất nhận là chất dẫn điện tử khá tốt. Loại pin mặt trời này dần dần đạt được hiệu suất gần 10% để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện, và bằng một nửa pin mặt trời silicon điển hình trên thị trường.

 

Tuy nhiên, sự tăng trưởng về hiệu suất đã chững lại một chút cho đến năm 2017 thì nó đột nhiên bắt đầu phát triển mạnh mẽ với sự xuất hiện của một loại vật liệu acceptor-chất nhận mới.

 

Mô tả một cách dễ hiểu, chất nhận này là “non-fullerene”, tức là chất nhận điện tử không có các quả cầu cacbon mà thay vào đó là các phân tử hữu cơ phẳng, hiệu suất trên 18% đã đạt được trong một thời gian ngắn và trong lĩnh vực này nói chung đồng ý rằng việc đạt hiệu quả trên 20% nằm trong tầm tay.

 

Do đó, nó gần như có thể cạnh tranh với silicon, nhưng hiệu suất cao thôi là chưa đủ, độ bền cũng rất cần thiết, cũng như giá cả thấp, cả về chi phí và năng lượng.

 

Gần đây, nhiều thử nghiệm đã được thực hiện nhằm tăng tuổi thọ hơn 30 năm cho các tấm pin năng lượng mặt trời bằng chất dẻo quang điện đã được sản xuất và đóng gói bảo quản trong môi trường.

 

Chi phí sản xuất rẻ hơn

 

Cuối cùng, pin mặt trời bằng chất dẻo quang điện có tiềm năng giảm chi phí rất lớn, vì chúng có thể được sản xuất bằng phương pháp in sử dụng vật liệu được định hình bằng ánh sáng với vật liệu ở dạng “mực” lỏng.

 

Ngoài ra, các phương pháp sản xuất này thường có thể được thiết lập với chi phí đầu tư thấp hơn đáng kể so với nhà máy silicon, ngay cả ở những khu vực có cơ sở hạ tầng kém phát triển. Do đó, về nguyên tắc con đường mới này được mở ra để định hình lại toàn bộ chuỗi cung ứng năng lượng, từ sản xuất pin mặt trời đến vận hành.

 

Tuy nhiên, những hiệu suất cao nhất cho đến nay vẫn chỉ đạt được trên những quy mô rất nhỏ, thường là vài mm vuông, và chính trong lĩnh vực này, những thách thức đáng kể vẫn còn ở phía trước.

 

Khi nâng cấp lên các quy mô lớn hơn, với các phương pháp in có thể mở rộng, nhưng ít nhất 50% hiệu suất bị mất và chúng tôi vẫn chưa thực sự biết tại sao. Đó là một phần trong dự án nghiên cứu do EU tài trợ, “Solar Energy Enabled for the World by High Resolution Imaging” viết tắt là SEEWHI (đúng vậy, đó là một cách chơi chữ của “See Why”).

 

Gần đây, người áp chót trong số sáu nghiên cứu sinh của dự án là Marcial Fernández Castro, đã bảo vệ luận án của mình mang tên “Chế tạo cuộn pin mặt trời hữu cơ với hình thái tối ưu” và đây chính xác là mục tiêu mà chúng tôi đang cố gắng giải quyết thách thức ở quy mô lớn hơn.

 

Chất dẫn điện kém hơn

 

Như đã tiết lộ trong tiêu đề của luận án, chúng tôi có giả định rằng một số lý do dẫn đến sự thay đổi về hiệu suất có thể là do sự khác biệt về cấu trúc nano của pin mặt trời, thường được gọi là “hình thái học”.

 

Một trong những khó khăn trong việc sản xuất pin mặt trời bằng chất dẻo quang điện hiệu suất cao là vật liệu này có chất dẫn điện kém hơn đáng kể so với chất bán dẫn vô cơ và trạng thái kích thích điện tử trong thời gian ngắn.

 

Vì vậy, khi hấp thụ một photon, phải có một khoảng cách ngắn đến miền dẫn điện tử gần nhất trong pin mặt trời, bất kể kích thích xảy ra ở đâu. Vấn đề này dễ giải quyết nhất bằng cách trộn các vật liệu cho và nhận để chúng tạo thành một hình thái hỗn hợp chặt chẽ ở kích thước 10-20 nanomet.

 

Trên thực tế, điều này diễn ra bằng một quá trình “tự tổ chức”, trong đó các vật liệu được trộn lẫn trong dung dịch, sau đó chất cho và chất nhận tự tìm thấy nhau và tạo thành các miền gắn kết với kích thước phù hợp trong quá trình sấy khô và có thể sau đó là xử lý nhiệt.

 

Đây là một quy trình đơn giản có khả năng rất phù hợp để tăng quy mô, nhưng đồng thời rất khó kiểm soát.

 

Việc tối ưu hóa thường được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm trong đó người ta cần xem xét trên một không gian tham số rất lớn bao gồm tỷ lệ thể tích giữa chất cho và chất nhận, các dung môi khác nhau có độ hòa tan khác nhau đối với các thành phần và các điểm sôi khác nhau, và hỗn hợp của chúng, nồng độ trong dung dịch, nhiệt độ sấy và nhiệt độ trong xử lý nhiệt và một số thông số khác.

 

Nó đòi hỏi rất nhiều nỗ lực về thời gian và sử dụng nhiều vật liệu để khám phá ra nhiều sự kết hợp, và có nguy cơ lớn là người ta sẽ không tìm ra thành phần nguyên liệu và quy trình tối ưu.

 

Mô hình hóa cấu trúc nano

 

Trong dự án SEEWHI, chúng tôi đã cố gắng phát triển một cách tiếp cận có mục tiêu rõ ràng hơn dựa trên sự hiểu biết cơ bản về các đặc tính và mô hình của vật liệu đối với cách tự tổ chức của chúng cũng như sự hình thành và vận chuyển điện tích trong cấu trúc nano.

 

Bắt đầu với mô hình động lực học phân tử có thể được sử dụng để dự đoán cấu trúc nano hình thành như thế nào khi các vật liệu được trộn trong dung môi, sau đó được làm bay hơi.

 

Công việc này đòi hỏi rất nhiều khả năng tính toán đối với các loại vật liệu mà chúng tôi làm việc, nhưng trong một số trường hợp, chúng tôi đã thành công trong việc phát triển các mô hình có thể dự đoán chính xác cấu trúc được hình thành mà chúng tôi có thể xác nhận bằng cách sử dụng tán xạ tia X.

 

Sử dụng mô hình động học Monte Carlo, chúng tôi có thể dự đoán các đặc tính vận chuyển của điện tích trong cấu trúc nano.

 

Thật không may, chúng tôi vẫn chưa thể thắt được nút cuối cùng, cụ thể là liên kết kết nối giữa vật liệu có cấu trúc nano với hiệu suất của pin mặt trời thành phẩm.

 

Các tấm pin mặt trời mà chúng tôi sản xuất theo cùng một công thức như được sử dụng trong các tính toán và nó không cho thấy bất kỳ mối liên hệ rõ ràng nào với các đặc tính dự đoán của cấu trúc nano. Có thể những đặc tính khác của pin mặt trời ảnh hưởng nhiều hơn đến hiệu suất, ví dụ như chất lượng của các điện cực và sự tiếp xúc của chúng với lớp nhạy sáng hoặc do chúng tôi sử dụng một mô hình chưa hoàn chỉnh để tạo thành mô hình vận chuyển điện tích.

 

Có một số quan sát thực nghiệm gần đây chỉ ra một số cơ chế truyền năng lượng khác nhau về cơ bản trong loại chất nhận mới, dẫn đến việc vận chuyển điện tích hiệu quả hơn nhiều so với khoảng cách dài (cỡ µm).

 

Tuy nhiên, chúng tôi đã có thể đạt được những cải tiến lớn cho việc tăng quy mô pin mặt trời bằng chất dẻo quang điện trong 3 năm Marcial làm việc trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, mặc dù thực tế là chúng tôi vẫn chưa hiểu đầy đủ về tất cả các kết nối.

 

Chúng tôi bắt đầu bằng cách sản xuất tấm pin mặt trời có diện tích lớn hơn với năng suất (yeild) khoảng 3% và khi kết thúc dự án, chúng tôi đã có thể đạt được năng suất (yeild) 7,2% với quy trình hoàn toàn có thể mở rộng, thậm chí chỉ sử dụng dung môi có tác động môi trường thấp.

 

Mặc dù chúng ta vẫn còn cách xa những lợi ích kỷ lục đã đạt được trên các tế bào năng lượng mặt trời rất nhỏ, nhưng chúng ta đã đi một chặng đường dài hướng tới hiểu biết cơ bản tốt hơn, đồng thời quan sát được các xu hướng và đạt được sự phát triển rất hứa hẹn.

 

Kể từ khi nghiên cứu về pin mặt trời bằng chất dẻo quang điện bắt đầu ở Đan Mạch, hai công ty spin-out đã được thành lập, từ DTU, là InfinityPV và FOM Technologies, cả hai đều phát triển và tiếp thị thiết bị để sản xuất pin mặt trời bằng chất dẻo quang điện.

 

Điều này giúp nhấn mạnh tiềm năng sản xuất pin mặt trời công nghệ cao có thể được hình thành, không chỉ ở Đan Mạch mà ở khắp mọi nơi trên thế giới.

 

 

Nguyễn Tiến Dũng dịch.

Nguồn: https://ing.dk/artikel/fagligt-talt-fremtid-plastsolceller-stor-skala-255756

Tìm hiểu thiết bị tán xạ tia X của hãng Xenocs trong trường DTU tại đây!