Nghiên cứu sâu về 2 loại pin mặt trời thống trị thế giới hiện nay

Oxford PV là một trong hơn chục công ty đặt cược rằng perovskite cuối cùng đã sẵn sàng thúc đẩy quá trình chuyển đổi toàn cầu sang năng lượng tái tạo một cách nhanh chóng. Một số sản phẩm PV dựa trên perovskite thích hợp đã có mặt trên thị trường và nhiều sản phẩm khác sẽ tham gia cùng chúng vào năm tới.

Dùng song song là một giải pháp

Silicon là vật liệu đặc trưng bên trong 95% tấm pin mặt trời. Thay vì tìm thay thế loại bỏ nó, Oxford PV, Qcells và những công ty khác đang tận dụng nó bằng xếp lớp perovskite lên lớp silicon để tạo ra lớp tế bào quang điện song song. Bởi vì mỗi vật liệu hấp thụ năng lượng từ các bước sóng ánh sáng mặt trời khác nhau, nên các vật liệu song song kiểu tích hợp như vậy có thể cung cấp năng lượng nhiều hơn 20% so với vật liệu chỉ dùng một lớp tế bào silicon.

Những người ủng hộ giải pháp perovskite nói rằng lượng điện thu hoạch được thêm từ lớp mới có thể bù đắp nhiều hơn chi phí bổ sung của lớp tế bào song song, đặc biệt là ở các khu vực đô thị đông đúc hoặc các khu công nghiệp có không gian hẹp.

Khi cặp song song perovskite-silicon ngày càng tiến gần hơn ra thị trường, sự lạc quan đã dâng cao với những dự đoán rằng một "vật liệu kỳ diệu" mang tính cách mạng đang "sắp thay đổi thế giới". Nhưng trên thực tế, ngành này phải đối mặt với ít nhất hai thách thức lớn trong cuộc chiến chuyển đổi thị trường năng lượng mặt trời.

Đầu tiên, nghiên cứu được công bố cho thấy hiệu suất của perovskites giảm nhanh hơn nhiều so với silicon khi chúng tiếp xúc cùng độ ẩm, nhiệt và thậm chí cả ánh sáng. Oxford PV cho biết họ đã thực hiện nghiên cứu riêng để khắc phục vấn đề này. Fabian Fertig, giám đốc nghiên cứu và phát triển tấm bán dẫn và tế bào của Qcells, người đứng đầu bộ phận phát triển lớp song song perovskite-silicon của công ty, cho biết: “Đối với sản xuất thương mại, tôi có thể nói rằng sự ổn định vẫn là thách thức chính”.

Và thứ hai, một số nhà phân tích nhận thấy perovskite phần lớn không liên quan đến chiến lược phát triển năng lượng mặt trời, ít nhất là trong ngắn hạn. Các mô-đun silicon đã trở nên cực kỳ rẻ và hiệu quả trong thập niên qua và các công ty ở Trung Quốc tiếp tục mở rộng năng lực sản xuất với tốc độ đáng kinh ngạc.

Vào năm 2022, thế giới có khoảng 1,2 terawatt (TW) công suất phát điện từ năng lượng mặt trời, từ đó cung cấp khoảng 5% sản lượng điện toàn cầu. Các chiến lược gia năng lượng cho rằng thế giới sẽ cần 75 TW vào năm 2050 để đáp ứng các mục tiêu về khí hậu. Điều này đòi hỏi công suất lắp đặt phải tăng nhanh để đến năm 2030 đạt mức sản xuất 3 TW mỗi năm. Tin vui là ngành công nghiệp quang điện silicon dự kiến sẽ đạt được điều đó, khiến nó trở thành một trong những lĩnh vực công nghệ xanh hiếm hoi đang đi đúng hướng.

Jenny Chase, nhà phân tích năng lượng mặt trời tại công ty tư vấn BloombergNEF có trụ sở tại Zurich, Thụy Sĩ, cho biết: “Công nghệ hiện nay chắc chắn đủ tốt để tạo ra nhiều điện mặt trời nhất mà chúng ta có thể sử dụng trên toàn thế giới”.

Vậy sao còn quan tâm perovskites?

Hy vọng dành cho perovskites vẫn nhen nhóm nhờ những cải tiến đáng chú ý về hiệu suất của chúng, đạt được bằng cách điều chỉnh thành phần của cả tinh thể và pin mặt trời làm từ chúng (thuật ngữ 'perovskite' mô tả cấu trúc tinh thể của khoáng chất tự nhiên; perovskite được sử dụng trong pin mặt trời là các tinh thể tổng hợp bắt chước cấu trúc này, nhưng có thể được làm từ nhiều vật liệu)

Năm 2009, tế bào quang điện đầu tiên trên thế giới được làm từ một loại perovskite đơn giản có tên là “methylammonium lead iodide” chỉ chuyển đổi được 3,8% năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng. Giờ đây, kỷ lục hiệu suất của pin được làm hoàn toàn từ vật liệu perovskite là 26,1%, tức là chỉ ít hơn một phần trăm so với pin silicon loại mạnh nhất.

Hơn nữa, tế bào perovskite thường chỉ cần lớp hấp thụ ánh sáng rất mỏng (tức là ít tốn vật liệu) trong khi các vật liệu liên quan thường có chi phí thấp và dễ kiếm. Điều đó khiến những người ủng hộ lập luận rằng nếu tế bào perovskite được sản xuất như ở quy mô tế bào silicon, chúng sẽ tiêu tốn ít năng lượng và vật liệu hơn.

Tuy nhiên, những so sánh về hiệu quả kỷ lục này không phản ánh thực tế thương mại. Các tế bào perovskite tốt nhất được tạo ra trong phòng thí nghiệm thường nhỏ hơn một con tem bưu chính và loại nhỏ hiện nay có kích thước gần bằng hạt vừng. Do đó, chúng có thể chỉ hoạt động trong vài ngày hoặc vài tuần trước khi hiệu suất của chúng giảm xuống. Chúng thường được tạo ra bằng cách thả dung dịch vật liệu vào tấm quay trong một quy trình gọi là "phủ quay", điều này không thực tế đối với sản xuất quy mô lớn.

Henry Snaith tại Đại học Oxford, Vương quốc Anh, người đồng sáng lập và giám đốc khoa học tại Oxford PV, cho biết: “Hầu hết các báo cáo về hiệu suất rất cao đều có những thành phần chắc chắn sẽ dẫn đến sự mất ổn định”. Tính thực tiễn của việc sản xuất các tế bào quang điện lớn và tích hợp chúng vào các tấm pin mặt trời càng hạn chế hiệu quả trong thế giới thực.

Thực tiễn cho thấy các sản phẩm dùng lớp tế bào perovskite độc lập được đưa ra thị trường có hiệu suất tương đối thấp và tuổi thọ ngắn. Microquanta ở Hàng Châu, Trung Quốc, đã cung cấp đủ tấm pin mặt trời perovskite để tạo ra 5 megawatt (MW) điện cho khách hàng, trong đó có cả một trang trại cá địa phương. Hiệu suất của chúng là khoảng 13% và sụt giảm nhanh gấp đôi so với mô-đun silicon. BuYi Yan, đồng sáng lập và giám đốc công nghệ của công ty, cho biết: “Tại thời điểm này, tôi phải thừa nhận rằng perovskite chưa ổn định bằng silicon”.

Các tế bào silicon thương mại thường lớn hơn một tờ giấy A5 và chúng được lắp ráp thành các mô-đun dài 2 mét có hiệu suất khoảng 22–24%. Các mô-đun thường đi kèm với chế độ bảo hành đảm bảo đạt ít nhất 80% hiệu suất ban đầu sau 25 năm - tức là hiệu suất giảm chưa tới 1% mỗi năm.

Hầu hết các tế bào và gần như tất cả các tấm silicon tạo nên các sản phẩm này đều được sản xuất tại Trung Quốc, nơi tính kinh tế nhờ quy mô và cải tiến công nghệ đã cắt giảm khoảng 90% chi phí của một tấm pin mặt trời kể từ khi perovskite xuất hiện lần đầu vào năm 2009.

Thật vậy, chi phí sản xuất một tấm silicon còn rẻ hơn chi phí lắp đặt và kết nối nó với lưới điện hiện nay. Giám đốc công nghệ của Oxford PV, Chris Case cho biết, chi phí trung bình để tạo ra điện trong suốt vòng đời của tấm pin mặt trời silicon hiện ở mức thấp khoảng 0,03–0,06 USD mỗi kilowatt giờ, khiến nó trở thành nguồn điện rẻ nhất ở hầu hết các quốc gia có nhiều nắng.

So với câu chuyện thành công của silicon, các sản phẩm perovskite khó có khả năng làm thay đổi thị trường năng lượng mặt trời. Case nhận định: “Chẳng ai muốn một mô-đun năng lượng mặt trời mà không tồn tại được 25 năm. Đơn giản là chúng không có giá trị kinh tế”.