Hiệu quả hơn và tiết kiệm hơn nhờ tế bào pin quang điện phân tầng

Tương lai ứng dụng quang điện đang ngày càng đầy hứa hẹn. Các nhà nghiên cứu từ trường Đại học Colorado Boudler, Mỹ, đã tạo ra một loại tế bào pin quang điện với hiệu quả chuyển đổi điện năng cao nhất tính tới nay nhờ việc chồng nhiều lớp tế bào pin với nhau và tận dụng sự kết hợp các thành phần một cách độc đáo.

Ông Michael McGehee, giáo sư khoa Kỹ thuật sinh hóa và cũng là đồng tác giả trong bài nghiên cứu mô tả về công nghệ sẽ được xuất bản trên tờ Science vào ngày mai chia sẻ rằng “Chúng tôi đã giúp một sản phẩm tạo ra 30 triệu USD một năm hoạt động tốt hơn 30%.”

Tế bào pin quang năng Perovskite / si-li-côn song song là ứng cử viên cho công nghệ quang điện thế hệ mới, với hiệu quả năng lượng tối đa cùng chi phí tối thiểu. (Nguồn: Dennis Schroeder / NREL).

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng tế bào pin quang điện perovskite và đặt thành tầng trên đỉnh của một tế bào pin quang điện si-li-côn. Tế bào pin quang điện peroskite là một dạng cấu trúc tinh thể được thiết kế nhằm thu nạp một lượng phô-tông cao hơn. Với sáng kiến này, tế bào pin quang điện sẽ thu được nhiều phô-tông hơn thông qua phần hồng ngoại của quang phổ được tạo thành từ năng lượng bức xạ mà chúng ta không thể thấy mà chỉ cảm nhận được. Việc kết hợp này giúp tăng hiệu quả hoạt động của tế bào pin si-li-côn từ 21% lên 27%.

Trong nhiều năm, các tế bào pin quang điện si-li-côn đã trở thành tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp điện mặt trời. Tuy nhiên, các tế bào quang điện si-li-côn hiện tại chỉ có thể chuyển đổi trung bình từ 18%-21% năng lượng mặt trời hấp thụ thành nguồn điện có thể sử dụng được.

Điều này đồng nghĩa với việc chi phí lắp đặt các tế bào pin đắt đỏ hơn chi phí để mua chúng, theo ông McGehee, một chuyên gia từ Viện Năng lượng tái tạo và bền vững cho biết.

Hiệu quả trung bình của các tấm pin mặt trời hiện thấp hơn mức hiệu quả tối đa do các tế bào pin khi sử dụng đều mất 3% hiệu quả khi bị gắn lên một bảng pin lớn. Tuy nhiên nếu bạn có thể nâng cao hiệu suất tổng thể, bạn vẫn có thể thu được một lượng năng lượng như mong muốn và vẫn không cần lắp thêm tấm pin nào cả.

Điều nâng cao đáng kể hiệu quả năng lượng đó chính là đặt các tế bào pin quang điện lên trên đỉnh của một tế bào pin đã có sẵn – và đó cũng chính là những gì mà McGehee và cộng sự của mình đã thực hiện.

Một công thức bí mật có giá thành hợp lý

Đây không phải là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu thử đặt các tế bào pin quang điện thành tầng để tăng hiệu quả năng lượng. Ý tưởng này còn được biết tới với cái tên tế bào quang điện song song hay đa khớp nối, và được chia sẻ lần đầu tiền vào những năm 1970. Kỷ lục thế giới ghi nhận về hiệu suất năng lượng từ tế bào pin quang điện là gần 45%. Tuy nhiên để có được hiệu suất đó, người ta phải chi 80.000 USD/m2. Sở dĩ giá thành cao như vậy là do họ biến mỗi tầng là một tế bào pin quang điện đơn lẻ. Và mức giá trên chắc chắn một doanh nghiệp nhỏ hay một hộ gia đình sẽ không thể nào đủ điều kiện chi trả.

McGehee và các đồng nghiệp của mình chính là những người tiên phong trong việc ứng dụng tế bào pin quang điện phân tầng theo mô hình mới, sử dụng các tinh thể perovskite – một loại vật liệu có giá thành tiết kiệm hơn gấp rất nhiều lần.

Khoảng 10 năm về trước, nhóm nghiên cứu bắt đầu ý tưởng sử dụng một loại vật liệu giá thành hợp lý đặt lên trên đỉnh của pin si-li-côn của mình và hiệu quả năng lượng thời điểm đó mới chỉ đạt 13%. Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ theo thời gian, họ đã thành công nâng hiệu quả năng lượng lên gấp hai lần.

Công thức bí mật của họ chính là sử dụng một hợp kim độc đáo gồm ba halogen đó là Clo, brom và i-ốt.

Theo McGehee, trong tế bào pin quang năng, có một khoảng rộng cấm khá lý tưởng. Đây là không gian giữa các mức năng lượng trong chất bán dẫn nơi có các electron di chuyển qua lại và tạo ra năng lượng điện.

Dù brom có ​​thể giúp nâng cao khoảng rộng cấm này, nhưng khi được sử dụng với iốt và tiếp xúc với ánh sáng, cả hai nguyên tố này không thể giữ nguyên vị trí của mình. Các nghiên cứu trước đây đã cố gắng sử dụng clo và iốt cùng nhau, nhưng kích thước hạt khác nhau của hai nguyên tố này khiến lượng clo phù hợp với cấu trúc tinh thể perovskite là không đủ. Bằng cách điều chỉnh lượng clo, brom và iốt phù hợp, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách thu nhỏ cấu trúc tinh thể, từ đó tạo ra nhiều clo phù hợp hợp, giúp ổn định và cải thiện hiệu quả của tế bào pin.

Perovskite là loại vật liệu giá rẻ, có thể dễ dàng chế tạo trong phòng thí nghiệm mà không cần nhiều năng lượng. Thậm chí sau 1000 tiếng – hoặc gần 42 ngày thử nghiệm dưới ánh sáng và nhiệt độ cao, những tế bào pin quang điện mới này vẫn giữ vững hiệu suất với rất ít sự thay đổi so với hiệu quả ban đầu.

Với thị trường điện năng lượng mặt trời tăng trưởng ở ngưỡng 30% hàng năm thì hiệu quả, chi phí và tuổi thọ sẽ là ba yếu tố quyết định loại công nghệ mới nào sẽ trở thành con cưng trong thị trường.

Ông McGehee bày tỏ sự lạc quan về tiềm năng phát triển của loại tế bào pin quang điện phân tầng perovskite có khoảng rộng cấm khá lớn trong tương lai.

“Giờ thì hiệu suất của tế bào pin quang điện phân tầng này đã vượt qua cả hiệu suất của loại pin thuần si-li-côn, và chúng tôi tin rằng chúng tôi có thể nâng cao hiệu suất lên 30% và duy trì ở mức ổn định”, Ông McGehee nói.

Minh Thúy (Theo TechXplore)