Nhìn lại chặng đường phát triển 140 năm của pin năng lượng mặt trời

Hiện nay, việc khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời không còn là vấn đề quá xa lạ đối với mỗi người chúng ta. Năng lượng mặt trời là một trong những loại năng lượng xanh hứa hẹn sẽ được áp dụng rộng rãi trong cuộc sống của con người trong tương lai. Đây là một nguồn năng lượng dường như vô tận, dễ dàng khai thác sử dụng và giúp bảo vệ được môi trường sống của con người. Và dĩ nhiên, pin năng lượng mặt trời chính là một bộ phận quan trọng trong việc sử dụng nguồn năng lượng của tương lai này. 

Mọi chuyện bắt đầu từ phát hiện hết sức tình cờ của kỹ sư Smith...

Mở đầu

Kỹ sư người Anh Willoughby Smith (1828-1891), người đầu tiên phát hiện ra hiện tượng quang điện​

Mọi chuyện bắt đầu với Willoughby Smith (1828-1891), một kỹ sư điện người Anh. Năm 1848, Smith bắt đầu làm việc cho công ty điện Gutta Percha với công việc chính là phát triển dây điện tín bằng sắt và đồng. Năm 1849, ông tham gia quản lý các dữ án dây điện tín lắp đặt ngầm và ông việc của ông vẫn tiếp tục như thế trong suốt vài thập kỷ sau đó. Mãi cho tới...

Năm 1873, Smith phát triển phương pháp kiểm tra tính liên tục của dây dẫn đã được lắp đặt ngầm dưới lòng đất. Để chế tạo mạch điện kiểm tra, ông cần một loại bán vật liệu có điện trở cao và cuối cùng, ông đã chọn selen. Trên lý thuyết của Smith, selen hoàn toàn thích hợp với yêu cầu do ông đặt ra. Tuy nhiên, Smith đã phát hiện ra một vấn đề nảy sinh là: Vào ban đêm, các thanh selen hoạt động đúng với yêu cầu của Smith. Độ dẫn điện của selen tăng lên đáng kể khi tiếp xúc với ánh sáng mạnh.

Để kiểm chứng lại nguyên nhân, Smith đã đặt thanh selen vào bên trong chiếc hộp có nắp trượt. Khi nắp được đóng kín và không có ánh sáng lọt vào, thanh selen có điện trở cao nhất và thực hiện đúng nhiệm vụ ngăn cản dòng điện. Nhưng khi chiếc nắp được trượt ra để ánh sáng tràn vào, dòng điện chạy qua ngày càng được tăng cường và tăng theo cường độ ánh sáng chiếu vào.

Khi đó, Smith đã đăng tải phát hiện của mình trên tạp chí Nature với nội dung "Tác động của ánh sáng lên selen thông qua quá trình truyền tải dòng điện". Bài báo cáo đã gây nên sự chú ý đối với nhiều nhà khoa học trên khắp Châu Âu thời bấy giờ. Với nghiên cứu của mình, Smith được công nhận là người đầu tiên khám phá ra chất quang điện của nguyên tố selen. Khám phá này đã tạo tiền đề cho việc chế tạo ra pin mặt trời sau này.

Năm 1874, nhà khoa học người Scotland với các định luật điện từ nổi tiếng, James Clerk Maxwell đã viết rằng cho một người cộng sự của mình với nội dung rằng: "Tôi tận mắt chứng kiến tác dụng của ánh sáng đối với Selen. Điều đó thật bất ngờ. Đồng nung nóng không thể có phản ứng tương tự được. Đó là một điều tuyệt vời của Mặt Trời."

Khám phá ra hiệu ứng quang điện trong vật liệu rắn

Tiếp đó, Smith đã thực hiện hàng lọat thí ngiệm để xác định xem bản chất ánh sáng mặt trời đã tác dụng như thế nào lên thanh selen? Tác dụng nhiệt hay tác dụng quang. Trong một thí nghiệm, ông đã đặt thanh selen vào trong một máng cạn chứa nước. Nước trong máng có tác dụng ngăn chặn nhiệt độ từ mặt trời nhưng vẫn giữ lại tác dụng của ánh sáng lên thanh selen.

Kết quả của thí nghiệm nói trên cho thấy, khi đã loại vấn đề nhiệt và chỉ giữ lại ánh sáng từ Mặt Trời, phản ứng của thanh selen vẫn giống như lần đầu Smith phát hiện ra. Và cuối cùng, ông đã đi đến kết luận rằng: Điện trở của selen thay đổi theo cường độ ánh sáng.

Sau Smith, trong số nhiều nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu tác dụng của ánh sáng lên selen có 2 nhà khoa học tại Anh: giáo sư William Grylls Adams và học trò của ông là Richard Evans Day. Trong suốt cuối những năm 1870, 2 người đã thực hiện rất nhiều thí nghiệm với selen. Một trong số những thí nghiệm đó là thắp một cây nến đặt cách thanh selen đã qua sử dụng 1 inch.

Khi ngọn nến vừa được thắp lên, kim trên thiết bị đo điện lặp tức có phản ứng. Khi ánh sáng từ cây nến bị che lại, kim trên thiết bị đo điện lập tức trở về vị trí số 0. Phản ứng nhanh chóng này đã một lần nữa củng cố kết luận của Smith rằng: Chính ánh sáng mới là tác nhân chính ảnh hưởng đến tính dẫn điện của thanh selen. Vì nếu có ảnh hưởng của tác dụng nhiệt thì cây kim trong thiết bị đo điện sẽ dịch chuyển từ từ mà không tăng giảm đột ngột.

Nhóm 2 nhà nghiên cứu này cảm thấy mình đã khám phá ra một vấn đề hoàn toàn mới chưa từng có trước đó: Ánh sáng có khả năng gây ra "một dòng điện" trên một loại chất rắn. Adams và Day đã gọi tên dòng điện sản sinh nhờ ánh sáng là "quang điện".

Mô đun đầu tiên

Nhà phát minh người Mỹ Charles Fritts và mô đun quang điện đầu tiên​

Vài năm sau đó, nhà phát minh người Mỹ Charles Fritts đã tạo nên một bước tiến lớn trong công nghệ khi chế tạo thành công một mô đun quang điện đầu tiên trên thế giới. Với mô đun đầu tiên, Fritts đã phủ một lớp mỏng và rộng lên một chiếc dĩa kim loại. Sau đó, ông đã dùng một lá vàng cực mỏng và bán trong suốt để bao phủ lên chiếc dĩa. Theo báo cáo của Fritts, mô đun selen do ông chế tạo có thể tạo ra một dòng điện liên tục, ổn định và có cường độ đáng kể,... không chỉ với ánh sáng ban ngày, ánh sáng yếu mà còn hoạt động với cả ánh sáng bóng đèn.

Với thành công của mình, Frotts đã lạc quan dự đoán rằng mô hình các tấm quang điện của ông có thể thay thế được phương pháp tạo ra điện bằng cách đốt than vốn đang được sử dụng phổ biến bấy giờ. Tuyên bố của ông ra đời 3 năm sau khi Thomas Edison chế tạo ra phương pháp sản xuất điện bằng nhiệt lượng từ đốt nhiên liệu hóa thạch như than, dầu,...

Tiếp theo, Fritts đã gửi một tấm quang điện của mình cho Werner von Siemens, nhà phát minh với danh tiếng sánh ngang với Edison vào thời đó. Trước dòng điện mà tấm quang điện của Fritts tạo ra được, Siemens và các nhà khoa học Đức đã rất ấn tượng. Họ đã đồng loạt trình bày tấm quang điện cho Viện hàn lâm khoa học hoàng gia Phổ. Siemens đã báo cáo với giới khoa học trên thế giới rằng: "Mô đun của người Mỹ trình bày với chúng tôi, lần đầu tiên có thể chuyển đổi trực tiếp năng lượng của ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện".

Siemens đã nhận định rằng quang điện chính là khám phá khoa học quan trọng và sâu rộng nhất. James Clerk Maxwell (1831-1879), nhà vật lý người Scotland nổi tiếng với các định luật cơ bản về điện trường, đã rất đồng tình với nhận định của Siemens. Maxwell đã ca ngợi công trình nghiên cứu quang điện như là "một đóng góp vô giá đối với khoa học".

Không chỉ Siemens mà cả Maxwell vẫn chưa tìm ra lời giải thích để lý giải cho hiện tượng quang điện​

Dù vậy, cả Siemens và Maxwell vẫn chưa thể hiểu được bản chất của hiện tượng quang điện. Maxwell tự hỏi rằng: "Phải chăng các bức xạ Mặt Trời là nguyên nhân của vấn đề hay nó gây ra các biến đổi hóa học trên thanh selen? Và dĩ nhiên, Siemens cũng chưa lý giải được bản chất của hiện tượng trên và ông đã kêu gọi "thực hiện một cuộc điều tra kỹ lưỡng để xác định căn nguyên hiện tượng quang điện của thanh selen phụ thuộc vào những yếu tố nào?"

Có rất ít các nhà khoa học đã hưởng ứng lời kêu gọi của Siemens. Nguyên nhân là do phát hiện ra quang điện có vẻ là trái với những hiểu biết của con người về khoa học. Vào thời bấy giờ, người ta chỉ biết tới việc nhiệt năng có thể chuyển đổi thành điện năng nhờ vào phát hiện trước đó của Edison. Còn thanh selen của Adams và Day hay "chiếc dĩa ma thuật" của Fritts bị cho là phản khoa học và không thể là sự thật do không dùng nhiệt lượng để có điện. Vì vậy, phần lớn các nhà khoa học đều từ chối tiếp tục nghiên cứu hiện tượng quang điện.

Tuy nhiên, vẫn có một nhà khoa học "dũng cảm": George M. Minchin, giáo sư toán học ứng dụng tại trường cao đẳng kỹ thuật hoàng gia Ấn Độ. Minchin đã bắt tay vào nghiên cứu để lý giải hiện tượng quang điện. Hành động của Minchin đã bị giới khoa học bấy giờ cho là phản khoa học và là một việc làm điên rồ. Trên thực tế, Minchin đã tiến rất gần tới việc giải thích được tác động của ánh sáng lên thanh selen. Dù vậy, vẫn chưa có một lời giải thích thỏa đáng nào được đưa ra.

Cộng đồng khoa học thời của Minchin đã bác bỏ tiềm năng khai thác quang điện sau khi nhìn thấy kết quả từ 1 thử nghiệm của Minchin. Trong thử nghiệm, Minchin đã đặt mô đun quang điện vào trong một chiếc hộp bằng kính đen và đo lường nhiệt lượng bên trong chiếc hộp.

thực hiện thử nghiệm bằng cách đặt mô đun quang điện trong một chiếc hộp bằng kính màu đen để hấp thụ ánh sáng mặt trời do Minchin thực hiện. Minchin đã lập luận rằng: "Rõ ràng là chiếc hộp bằng kính đen đã hấp thu tất cả các dạng năng lượng trong tia sáng mặt trời và chuyển thành nhiệt năng trong lòng hộp. Tuy nhiên, có thể điều này chưa chính xác".

Minchin tin rằng: "có thể có một số dạng năng lượng Mặt Trời không bị hấp thu bởi các bề mặt màu đen. Và còn một cái gì đó cần phải khám phá ra. Chỉ khi nào khoa học có thể đo lường được năng lượng của các bước sóng khác nhau thì vấn đề quang điện mới được giải quyết".

Phát kiến quan trọng của Einstein

Cùng quan điểm với Minchin, Albert Einstein cho rằng khoa học đương thời vẫn chưa phát hiện và đo lường tất cả những dạng năng lượng truyền từ Mặt Trời đến Trái Đất. Trong một nghiên cứu táo bạo được xuất bản vào năm 1905, Einstein đã nêu ra một thuộc tính của ánh sáng mà các nhà khoa học trước đó không công nhận. Ông đã phát hiện ra rằng ánh sáng bao gồm các "gói" năng lượng và ông gọi đó là quanta (hiện nay là các photon).

Thêm một đóng góp của Einstein cho sự phát triển của nhân loại với lý thuyết lượng tử ánh sáng, mở đường cho các nghiên cứu quang điện sau này

Đúng với những gì Minchin dự đoán, Einstein lập luận rằng lượng năng lượng mà các quanta ánh sáng sẽ được biểu hiện dưới các hình thức khác nhau và phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng. Một cách cụ thể hơn, bước sóng càng ngắn, năng lượng càng lớn. Bước sóng ngắn nhất có thể mang năng lượng nhiều gấp 4 lần so với bước sóng dài nhất.

Mô tả táo bạo của Einstein về bản chất ánh sáng, kết hợp với việc phát hiện ra electron đã làm cho hàng loạt nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu kỹ hơn về tác động của ánh sáng. Tất cả những điều này đều là bước ngoặc cho sự phát triển của quang điện trong thế kỷ 19. Tất cả những bí ẩn trước đó xoay quanh ánh sáng mặt trời và quang điện đã có thể được lý giải trong khuôn khổ khoa học.

Trong những loại vật liệu như selen, các photon mang đủ năng lượng cần thiết có khả năng tác động vào những electron liên kết yếu và khiển nó di chuyển khác với quỹ đạo ban đầu. Khi dây dẫn điện được gắn với thanh selen, các electron được giải phóng bới năng lượng photon sẽ di chuyển trong dây dẫn và tạo thành dòng điện. Các thí nghiệm trong thế kỷ 19 bắt đầu gọi hiện tượng trên là quang điện.

Việc lý giải một cách rõ ràng hiện tượng quang điện đã kích thích các nhà khoa học nghiên cứu sâu hơn nhằm tìm phương pháp tạo ra quang điện dưới quy mô công nghiệp. Từ đó thực hiện ước mơ khai thác nguồn năng lượng sạch và vô tận từ Mặt Trời.

Tiến sĩ Bruno Lange, nhà khoa học người Đức từng thiết kế nên mô đun quang điện tương tự như Fritt vào năm 1931 cũng đã từng dự đoán rằng: "Trong một tương lai không xa, hàng nghìn mô đun quang điện sẽ được tạo ra nhằm chuyển đổi quang năng thành điện năng. Điều này có thể thay thế các nhà máy thủy điện hay nhiệt điện, có thể tạo nên những chiếc xe hơi năng lượng mặt trời và thậm chí là có thể sử dụng cho mỗi hộ gia đình".

Dù vậy, do pin năng lượng mà Lange chế tạo hoạt động kém hiệu quả hơn so với phiên bản của Fritt, chỉ chuyển hóa được khoảng 1% năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời thành điện năng. Điều này không đủ để biện minh cho tính khả thi khi khai thác năng lượng Mặt Trời trên quy mô công nghiệp.

Những nhà tiên phong trong việc tạo ra quang điện đã gặp phải thất bại so với hy vọng ban đầu được đặt ra. Dù vậy, tất cả những nỗ lực của họ không hẳn là hoàn toàn vô ích. Một người cùng thời với Minchin còn dự đoán rằng: "sẽ có lúc con người sẽ có thể thu được năng lượng từ Mặt Trời với hiệu suất cao và thậm chí là lưu trữ chúng. Điều này sẽ làm cho động cơ hơi nước và các loại động cơ khác hoàn toàn tuyệt chủng".

Khoảng thời gian tiếp theo, không có một bước đột phá nào được ghi nhận trong việc khai thác quang điện. Thậm chí, người đứng đầu của tập đoàn năng lượng Westinghouse còn cho rằng: "pin năng lượng Mặt Trời sẽ không thể nào hấp đẫn các kỹ sư cho tới khi hiệu suất chuyển đổi từ quang năng thành điện năng đạt ít nhất là 50%.

Các tác giả của quyển sách Photoelectricity and Its Applications (Quang năng và những ứng dụng của nó) xuất bản vào năm 1949 đã đưa ra một dự đoán khá bi quan rằng: "Chỉ khi nào trong tương lai phát hiện ra một loại vật chất mới thì pin quang điện mới có thể khai thác năng lượng Mặt Trời cho các mục đích hữu ích cho con người".

Pin năng lượng Mặt Trời hoàn thiện đầu tiên

Gerald Pearson, nhà khoa học tại phòng thí nghiệm Bell​

Mọi chuyện xoay quanh việc khai thác quang điện tưởng chừng như đã chấm dứt mãi cho tới khi các nhà nghiên cứu phát hiện ra các khả năng của Silic. Đây là bước ngoặc lớn trong sự phát triển của pin Mặt Trời. Các nhà nghiên cứu đã vô tình phát hiện ra khả năng này trong quá trình chế tạo ra các bóng bán dẫn silic - thành phần chính của mọi thiết bị điện tử ngày nay.

2 nhà khoa học là Calvin Fuller và Gerald Pearson thuộc phòng thí nghiệm nổi tiếng Bell Laboratories (hiện nay là phòng thí nghiệm AT&T), đều là những nhà tiên phong trong việc chế tạo điốt bán dẫn silic từ hình thành các lý thuyết ban đầu đến thực tiễn chế tạo. Pearson được các đồng nghiệp mô tả là một con người "thực nghiệm của thực nghiệm". Còn Fuller, một nhà hóa học đã đóng góp một phần không nhỏ với việc phát hiện ra các chất bổ sung thêm vào silic làm cho nó từ một chất kém dẫn điện trở thành một chất dẫn điện ưu việt.

Trong nghiên cứu, Fuller đã cung cấp cho Pearson một mẩu silic có chứa một lượng nhỏ gali. Sự có mặt của gali làm cho silic tích sẵn tích điện dương. Theo công thức của Fuller, khi Pearson nhúng mẫu silic chứa gali vào trong bể chứa liti nóng, phần silic ngập trong dung dịch sẽ tích điện âm. Tại vị trí tiếp giáp giữa phần tích điện âm và phần tích điện dương, một điện trường bền sẽ được tạo thành. Đây chính là cấu trúc p-n nơi tất cả các hoạt động điện diễn ra. Cấu trúc chuyển tiếp p-n chính là thành phần trung tâm của điốt bán dẫn và của cả pin năng lượng Mặt Trời.

Trong quá trình kiểm tra mẫu silic pha gali, Pearson đã kết nối mẫu silic pha gali với dây dẫn, đặt nó dưới bóng đèn để chiếu sáng mẫu vật và dùng ampe kế để đo lường. Và trong thí nghiệm này xuất hiện một hiện tượng khiến Pearson hết sức ngạc nhiên... Một dòng điện được tạo ra khi ánh đèn chiếu vào mẫu silic. Đây là phát hiện ngẫu nhiên nhưng vô cùng quan trọng cho pin năng lượng Mặt Trời hiện nay.

Cấu trúc chuyển tiếp p-n, thành phần quan trọng nhất của điốt bán dẫn. Tiền đề chế tạo thành công pin năng lượng Mặt Trời hoàn thiện​

Trong khi Fuller và Pearson đang nghiên cứu cải tiến các điốt bán dẫn, một nhà khoa học khác cũng thuộc phòng thí nghiệm Bell, Daryl Chapin bắt đầu nghiên cứu việc năng lượng trong pin bị suy giảm khi sử dụng tại những khu vực có độ ẩm cao. Trong bất cứ khí hậu nào khác, loại pin khô truyền thống sẽ thực hiện tốt chức năng của mình. Duy chỉ tại những vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, vòng đời của pin trở nên ngắn hơn so với khi sử dụng tại các vùng khí hậu khác.

Phòng thí nghiệm giao nhiệm vụ cho Chapin tìm một loại pin năng lượng khác khả thi hơn như năng lượng gió, máy phát điện nhiệt, hơi nước,... Chapin đã đề xuất phát triển pin năng lượng Mặt Trời và đề xuất đã được phòng thí nghiệm chấp thuận.

Vào cuối tháng 2 năm 1953, Chapin bắt đầu thực hiện nghiên cứu quang điện. Để có thể đưa một tấm pin Mặt Trời vào khai thác thương mại, Chapin đặt ra mục tiêu là phải tạo ra được một tấm pin có thể tạo ra được dòng điện công suất 4,9W trên mỗi mét vuông và hiệu suất chuyển đổi từ quang năng sang điện năng là cao nhất. Việc nghiên cứu của Chapin đã lan tới tai của Pearson. Ông đã nói với Chapin về phát hiện tình cờ của mình và đưa cho Chaplin mẫu silic pha gali.

Ngay lập tức, Chapin tiến hành thử nghiệm dưới ánh sáng Mặt Trời và nhận thấy phát hiện của Pearson là hoàn toàn chính xác. Theo đo lường của Chapin, pin Mặt Trời bằng mẫu Silic do Pearson cung cấp có hiệu suất chuyển đổi từ quang năng sang điện năng là 2,3%, lớn gấp 5 lần so với pin bằng Selen. Kể từ lúc đó, Chapin chuyển sang tập trung nghiên cứu phát triển pin Mặt Trời bằng silic.

Dựa trên các tính toán giả thuyết của mình, Chapin dự đoán pin Mặt Trời bằng silic có thể khai thác năng lượng Mặt Trời với hiệu suất lên tới 23% nếu đạt điều kiện lý tưởng. Tuy nhiên, mục tiêu ban đầu do ông đặt ra là hiệu suất chuyển đổi vào khoảng 6%. Đây là ngưỡng mà các kỹ sư thời bấy giờ đặt ra nếu muốn tạo thành một loại pin quang điện và coi nó là một nguồn năng lượng điện thực sự.

Callvin S. Fuller, đang phủ một lớp Bo lên Silic để tạo thành nên pin năng lượng Mặt Trời hoàn thiện đầu tiên trên thế giới

Tuy nhiên, dù đã thực hiện rất nhiều thử nghiệm với các phương pháp khác nhau, Chapin vẫn chưa có tiến triển so với ban đầu. Có những trở ngại xuất hiện và dường như không thể vượt qua. Và Chapin tìm lại những lý thuyết lượng tử ánh sáng của Enstein cũng như các nghiên cứu về bán dẫn trước đó của Pearson và Fuller. Cuối cùng, ông nhận ra một điều rằng cần phải nhờ đến sự giúp đỡ của Fuller nhằm đưa cấu trúc chuyển tiếp p-n càng gần với bề mặt pin càng tốt. Bên cạnh đó, Chapin nhận thấy bề mặt của tấm silic quá sáng bóng nên sẽ phản xạ lại một lượng ánh sáng đáng kể. Do đó, ông chọn cách phủ một tấm plastic mờ. Tiếp theo, ông phủ một lớp Bo lên trên bề mặt trên cùng của tấm pin quang điện để có thể thu được nhiều photon hơn.

Và kết quả cuối cùng là tấm pin mặt trời đúng như mục tiêu của Chapin đặt ra - có hiệu suất chuyển đổi 6%. Nhóm 3 nhà khoa học đã báo cáo công trình nghiên cứu với Viện hàn lâm khoa học quốc gia về những thành công đạt được.

Nhóm 3 nhà khoa học trong một thí nghiệm với pin năng lượng Mặt Trời (Từ trái qua: Pearson, Chapin và Fuller)​

Ngày 25/4/1954, giám đốc của phòng thí nghiệm Bell đã chính thức giới thiệu tấm pin Mặt Trời cho giới báo chí. Đó là một bảng chứa các tế bào quang điện có thể tạo ra một lượng điện năng để quay một đu quay Ferris đường kính 21 inch. Ngày hôm sau tại Washington, các nhà khoa học tại Bell đã dùng nguồn quang điện thu được để chạy một chiếc máy thu thanh, phát giọng nói và những bài hát trước sự chứng kiến của các nhà khoa học hàng đầu từ khắp nước Mỹ. Các tờ báo tại Mỹ đã gọi đây là nhiên liệu vô tận và có thể thay thế cho than đá, dầu và sánh ngang với uranium.

Mẫu quảng cáo pin năng lượng Mặt Trời đầu tiên của phòng thí nghiệm Bell​

Cuối cùng thì pin năng lượng Mặt Trời đã chính thức là một nguồn năng lượng mới cho con người. Kể từ đó cho đến hiện nay, pin năng lượng Mặt Trời tiếp tục được cải tiến và hoàn thiện nhằm nâng cao hiệu suất làm việc nhưng phương pháp chế tạo đơn giản và có giá thành thấp. Vô số phương pháp đã được phát triển và áp dụng để cuối cùng là những tấm pin năng lượng Mặt Trời như chúng ta thấy hiện nay.