Các nhà khoa học đã tạo ra loại pin mặt trời kép như "bánh sandwich"

Bằng cách kết hợp lớp perovskite với tấm pin silic cổ truyền, các kỹ sư đã tăng mạnh hiệu quả của pin Mặt trời.

Perovskite, tên gọi chung của các vật liệu gốm có cấu trúc tinh thể giống với cấu trúc của vật liệu gốm canxi titanat (CaTiO₃), là loại vật liệu đầy hứa hẹn để tạo ra pin Mặt trời.

Việc “phối ngẫu” tấm nền perovskit vốn có khả năng hấp thụ tốt các hạt photon xanh giàu năng lượng từ ánh sáng mặt trời, với một lớp silicon tiêu chuẩn có đặc tính hấp thụ tốt các tia sáng chứa mức năng lượng thấp.

Trên lý thuyết, dạng cấu trúc hai lớp pin song song như thế có thể cung cấp một cường độ năng lượng gấp đôi mức thông thường. Nhưng việc chế tạo hai tấm pin mặt trời hoàn thiện với một lớp nằm trên lớp còn lại sẽ khiến chi phí sản xuất gia tăng và đặt ra nhiều thách thức khác. Một nhóm nghiên cứu tại Mỹ đã công bố bước tiến trong việc tìm ra một phương pháp với tiềm năng đơn giản và tiết kiệm hơn để chế tạo loại pin mặt trời kép này.

Perovskite đóng vai trò chuyển hoá ánh sáng thay vì tạo ra năng lượng.

Trong nghiên cứu của nhóm này, perovskite đóng vai trò chuyển hoá ánh sáng thay vì tạo ra năng lượng, chúng làm nhiệm vụ chuyển hoá các quang tử lam thành những quang tử cận-hồng ngoại (near IR photons) mà sau đó lớp pin silicon bên dưới sẽ chuyển hoá chúng thành năng lượng. Các nhà nghiên cứu cho biết rằng kiểu thiết kế này có thể tăng hiệu năng của lớp pin silicon lên tới xấp xỉ mức 20%.

Nếu thực như thế, đây có thể là mấu chốt để hiện thực hoá lời hứa hẹn với ngành năng lượng mặt trời của perovskite - một dãy các hợp chất có cùng cấu trúc tinh thể và được tạo nên từ những nguyên tố phổ biến như chì, brom và clo.

"Đây là một trong những kết quả thú vị nhất mà tôi được chứng kiến trong suốt một thời gian dài", Michael McGehee, một chuyên gia về perovskite tại Đại học Stanford ở Palo Alto, California, chia sẻ. "Mức gia tăng hiệu suất tạo dòng điện mà họ đã tuyên bố là vô cùng ấn tượng”. 

Perovskite dễ dàng được cán mỏng thành những tấm hấp thụ quang năng mạnh mẽ.

Silicon trở thành vật liệu thống trị trong ngành công nghiệp năng lượng mặt trời không chỉ bởi chúng là bộ chuyển đổi quang năng tối ưu nhất, mà còn bởi tính tiện ích và chi phí tương đối rẻ. Tuy nhiên, vật liệu này đòi hỏi các nhà sản xuất phải sử dụng những căn phòng chuyên dụng đắt tiền để tinh lọc và chuẩn bị trước các khâu tiền sản xuất.

Ngược lại, perovskite dễ dàng được cán mỏng thành những tấm hấp thụ quang năng mạnh mẽ. Đa số các vật liệu mang cấu trúc perovskite chỉ hấp thụ tối ưu quang tử lam, do đó chúng cần được kết hợp với chủng vật liệu khác để có thể hấp thu toàn bộ các quang tử ánh sáng màu khác trong dãy quang phổ.

Ngành công nghiệp năng lượng mặt trời đang trong cuộc đua thương mại hóa pin mặt trời từ vật liệu perovskite bằng cách lắp đặt chúng bên trên các mô-đun silicon thông thường, vốn không có khả năng hấp thụ năng lượng từ các quang tử của những chùm ánh sáng xanh mà chuyển hoá các quang tử  này thành nhiệt lượng thay vì tạo ra dòng điện. Nhưng bên cạnh chi phí cho việc thêm các lớp thiết bị, các nhà sản xuất cũng phải vật lộn với những thách thức thực tế như cần phải tạo một thiết kế song song hoàn hảo để lượng dòng điện phát ra từ mỗi tấm pin là như nhau. Nếu không, dòng tổng thể bị giới hạn bởi tấm pin yếu hơn trong hai tấm.

Cách đây hai năm, các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi kỹ sư điện Hongwei Song tại Đại học Cát Lâm ở Trường Xuân, Trung Quốc, đã báo cáo về một hướng giải pháp cho những thách thức này. Bằng cách cho một lượng nhỏ kim loại hiếm ytterbium vào một mẫu perovskite tiêu chuẩn từ cesium và chì, họ phát hiện ra rằng có thể hình thành một cấu tạo perovskite song song với kiến ​​trúc khác biệt và đơn giản hơn.

Giống như những perovskite thông thường, phiên bản pha tạp ytterbium hấp thụ các photon màu xanh, tạo năng lượng cho các electron trong vật liệu. Nhưng những điện tử này không tạo thành dòng điện. Thay vào đó, chúng ngay lập tức truyền năng lượng của mình cho các nguyên tử ytterbium, các nguyên tử này sau đó tái phát xạ gần như toàn bộ quang tử được hấp thụ dưới dạng ánh sáng cận hồng ngoại. Hầu hết các photon này nén vào lớp pin silicon bên dưới, nơi toàn bộ năng lượng của chúng được hấp thụ và chuyển đổi thành điện năng với nhiệt lượng tạo ra rất ít.

"Với nhiệm vụ chuyển hoá năng lượng mặt trời thành điện năng, sự kết hợp các vật liệu này gần như chính là tất cả những gì mà bạn cần đến", Daniel Gamelin, nhà hóa học tại Đại học Washington ở Seattle khẳng định.

Tuy nhiên, những perovskite mà nhóm nghiên cứu của Song tạo ra là những hạt mang kích thước nano, vốn khó có thể kết tụ đồng bộ trên một tấm pin silicon. Đây vẫn là vấn đề tối nan giải với những sản phẩm pin mặt trời phiên bản thương mại vận hành tốt nhất, trong đó tấm pin silicon được phủ lên bề mặt một lớp thủy tinh bảo vệ được làm nhám có chủ ý. Những chóp gồ thủy tinh li ti giúp dẫn ánh sáng đi vào bên trong lớp pin thay vì bị phản xạ khỏi bề mặt bên trên của nó, nhưng các hạt nano perovskite không phải lúc nào cũng tạo thành một lớp phủ liền mạch trên bề mặt gồ ghề.

Trong phiên họp của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ vào tuần trước tại đây, Gamelin đã tuyên bố rằng ông và các cộng sự đã tìm ra giải pháp cho vấn đề này. Họ đã sử dụng một kỹ thuật chế tạo pin mặt trời khá phổ biến được gọi là kỹ thuật lắng chân không để tạo ra các lớp perovskite pha ytterbium mỏng trải dài trên các tấm pin mặt trời silicon một quãng khoảng 14 cm. Kỹ thuật này sử dụng một lớp phim perovskite để bao bọc những chóp gồ thủy tinh li ti trên bề mặt tấm pin.

“Kết quả thử nghiệm từ cấu trúc pin mặt trời song song cho thấy, gần như tất cả ánh sáng xanh được hấp thụ bởi perovskite được chuyển đổi thành các photon gần IR", Gamelin trình bày trong báo cáo.

Từ kết quả này, ông dự đoán, việc phủ một lớp perovskite pha ytterbium lên bề mặt một tấm pin silicon cao cấp sẽ cho phép nó chuyển đổi thành công 32,2% quang năng được hấp thụ thành điện năng, tăng lên từ mức 27% trước đó – tức tổng mức tăng 19.2%. Nhóm nghiên cứu của Gaminin hiện đang làm thí nghiệm để xác minh những dự đoán đó.

"Tôi hơi nghi ngờ về những con số", McGehee bày tỏ. Nhưng cho dù chỉ là một phần của mức gia tăng này thì nó vẫn "sẽ là một bước tiến lớn" của nhân loại, ông chia sẻ thêm.

Tháng trước, Gamelin và các đồng nghiệp đã khởi động một công ty khởi nghiệp mang tên BlueDot để thương mại hóa nền tảng công nghệ này. Họ đã có rất nhiều đối thủ cạnh tranh. Các công ty khởi nghiệp Perovskite như Oxford PV ở Vương quốc Anh và Saule Technologies ở Warsaw đã hoàn tất thử nghiệm loại pin mang cấu trúc song song perovskite-silicon của mình hoặc đang ráo riết chuẩn bị để làm điều đó.

Tuy nhiên, BlueDot vẫn hy vọng sẽ vượt qua các công ty khác, bởi lẽ một thiết kế song song đơn giản hơn sẽ cho phép các nhà sản xuất pin mặt trời từ silicon tiêu chuẩn tích hợp perovskite vào dây chuyền sản xuất của họ dễ dàng hơn – và trong tương lai sẽ có thể đưa perovskite lên mọi mái nhà trên toàn thế giới.