Pin mặt trời mới sử dụng perovskite mang đến bước đột phá về năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo là loại năng lượng được sản xuất từ các nguồn tự nhiên có thể tái tạo và không gây ra sự cạn kiệt. Các nguồn năng lượng tái tạo bao gồm năng lượng mặt trời, gió, thủy điện, nhiệt điện, năng lượng sinh học và nhiệt đất nhiệt biển.

Sử dụng năng lượng tái tạo có lợi cho môi trường vì giúp giảm phát thải khí nhà kính và giảm tác động đến biến đổi khí hậu. Ngoài ra, nó cũng giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch không tái tạo, giúp đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng ổn định và bền vững cho tương lai.

Theo nhóm nghiên cứu, công nghệ này cũng có thể giảm chi phí năng lượng xuống còn 1/4 so với pin mặt trời dựa trên silicon hiện nay.

Pin mặt trời mới sử dụng perovskite, một loại vật liệu vô cơ rẻ tiền và dễ kiếm. Khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, perovskite chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng theo cách tương tự như các tấm pin mặt trời truyền thống nhưng có hiệu suất cao hơn.

Trong khi pin mặt trời perovskite (PSC) từ lâu đã cho thấy hứa hẹn vượt qua giới hạn hiệu suất của pin dựa trên silicon, độ ổn định nhiệt và hóa học của chúng lại có vấn đề. Thông thường PSC xuống cấp nhanh chóng khi tiếp xúc với oxy và độ ẩm hoặc nếu hoạt động ở nhiệt độ cao.

PSC mới được phát triển có hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) là 25,6%. Thật ấn tượng là viên pin vẫn giữ được hơn 90% hiệu suất ban đầu sau 1.200 giờ hoạt động ở nhiệt độ 65 độ C (149 độ F).

Nghiên cứu do Giáo sư Zhu Zonglong từ Đại học Thành phố Hồng Kông dẫn đầu, phối hợp với Li Zhongan từ Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung, đã được công bố vào ngày 20.10 trên tạp chí khoa học được bình duyệt.

Bình duyệt là một trong những chuẩn mực vàng của khoa học. Đây là quá trình các nhà khoa học (hay ở đây còn là các nhà bình duyệt) đánh giá chất lượng kết quả nghiên cứu của các đồng nghiệp khác trong cùng lĩnh vực. Mục đích của quá trình này nhằm đảm bảo các kết quả nghiên cứu phải chính xác, chặt chẽ, dựa trên nền tảng các nghiên cứu trong quá khứ và bổ sung thêm vào những gì chúng ta vốn đã biết.

Nhóm nghiên cứu cho biết trong bài báo: “Nghiên cứu của chúng tôi cung cấp hướng dẫn lý thuyết cho việc thiết kế các PSC hiệu quả và ổn định, đồng thời mở đường cho việc tiếp cận dễ dàng các PSC có sẵn trên thị trường”.

Bước đột phá của nhóm nằm ở việc cải tiến lớp giao tiếp giữa lớp quang hoạt và cực dương của pin mặt trời.

Nghiên cứu trước đây cho thấy việc sử dụng các lớp đơn lớp tự lắp ráp (SAM) làm lớp giao tiếp thường làm tăng PCE lên trên 25%. Tuy nhiên, với cấu trúc đơn phân tử nên SAM chỉ dày 1 -2 nanomet và dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao.

Giáo sư Zhu Zonglong cho biết: “Chúng tôi đã thiết kế SAM theo cấu trúc ba chiều độc đáo và gắn nó vào một màng oxit niken ổn định để tăng cường độ ổn định cả về nhiệt lẫn hóa học. Sự phát triển này giúp tăng cường hiệu suất trọn đời của pin và khả năng chuyển đổi năng lượng một cách hiệu quả. Dù các thiết bị được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm tương đối nhỏ, nhưng phương pháp chế tạo lại đơn giản và có khả năng mở rộng cao, cho thấy sự phù hợp để sản xuất quy mô lớn. Ước tính rằng chi phí năng lượng cân bằng (LCOE) cho pin mặt trời mới của chúng tôi có thể thấp đến mức 5,45 USD/MWh, thấp hơn đáng kể so với mức 24 USD/MWh của pin mặt trời làm từ silicon”.

Theo dữ liệu hải quan, Trung Quốc hiện là quốc gia dẫn đầu trong ngành quang điện (PV), xuất khẩu hơn 4 tỉ pin mặt trời vào năm 2022, với tổng giá trị xuất khẩu là 46,38 tỉ USD. Theo trang web của Hiệp hội Công nghiệp Quang điện Trung Quốc (CPIA), thị phần toàn cầu của ngành công nghiệp quang điện Trung Quốc đã vượt quá 80% về mọi mặt, từ nguyên liệu thô đến thiết bị sản xuất.

PSC trong quá trình xuống cấp ở nhiệt độ cao (trái) và PSC với SAM mới - Ảnh: CityU

"Bối cảnh năng lượng toàn cầu đang chuyển sang ưu tiên năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Năng lượng mặt trời đã trở thành nguồn năng lượng rẻ nhất trên toàn thế giới với chi phí giảm hơn 90% trong thập kỷ qua. Ngành năng lượng mặt trời của Trung Quốc sẵn sàng nỗ lực nhiều hơn để giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế", Liu Yiyang - người phát ngôn của CPIA cho biết.

Giáo sư Zhu Zonglong tin rằng PSC có ứng dụng rộng rãi. Ông nói: “Dù nghiên cứu liên quan chuyện này bắt đầu tương đối muộn, PSC đã đạt được những bước tiến đáng kể về độ ổn định và tuổi thọ trong những năm gần đây, từ chỉ hoạt động vài giờ ở nhiệt độ thấp đến hàng ngàn giờ ở nhiệt độ cao. PSC có thể được sử dụng trong điều kiện thiếu ánh sáng và thông qua sửa đổi, có thể hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khác nhau. Tính linh hoạt vượt trội này khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong các thiết bị linh hoạt, pin mặt trời trong suốt, pin mặt trời hai mặt và quang điện trong nhà. Ngoài ra, PSC còn tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường hơn so với pin silicon truyền thống, điều này sẽ giúp giảm tác động môi trường của ngành công nghiệp quang điện”.

Một nhà nghiên cứu từ hãng Sealand Securities (Trung Quốc) cho biết vẫn cần phải làm việc nhiều hơn trước khi PSCcó thể được sử dụng rộng rãi hơn.

Nhà nghiên cứu giấu tên nói với trang SCMP: “Để sử dụng rộng rãi PSC, ngành công nghiệp cần làm cho chúng ổn định và lâu dài hơn, sản xuất các tấm pin lớn, chất lượng cao và nhận được sự hỗ trợ của chính phủ như trợ cấp hoặc giảm thuế”.

Zhu Zonglong tin rằng một khi công nghệ trưởng thành, perovskite có thể thúc đẩy một làn sóng tăng trưởng mới trên thị trường quang điện toàn cầu, đặc biệt là ở Trung Quốc.

“Khi đó, chi phí năng lượng sẽ giảm hơn nữa, sự gia nhập của các nhà đầu tư mới sẽ dẫn đến công suất lắp đặt tăng đáng kể và các sản phẩm quang điện của Trung Quốc có thể trở nên cạnh tranh hơn do hiệu suất cao hơn và chi phí thấp hơn, từ đó có khả năng tăng khối lượng xuất khẩu các sản phẩm quang điện Trung Quốc", ông nói.

Một số công ty Trung Quốc lâu đời, bao gồm Renshine Solar, Microquanta và GCL Perovskite, đang có những động thái nhằm mở rộng năng lực sản xuất PSC của họ.

Sơn Vân