Ở vị trí hàng đầu của khám phá khoa học và nghiên cứu năng lượng tái tạo, một loại vật liệu được gọi là perovskites đã kích thích trí tưởng tượng của một số nhà khoa học và kỹ sư hàng đầu thế giới.
Những vật liệu đáng kinh ngạc này có khả năng tạo ra nhiều điện từ mặt trời hơn hầu hết mọi thứ khác, nó có chi phí thấp hơn nhiều so với pin mặt trời silicon truyền thống. Nhưng perovskites cho đến nay đã yêu cầu rất nhiều thử nghiệm và không có ứng dụng nào đạt đến điểm thương mại hóa. Việc nghiên cứu pin mặt trời perovskite đã đi được một chặng đường dài trong thời gian rất ngắn, nhưng vẫn còn một số trở ngại lớn cần phải vượt qua.
Do công việc của nhiều nhà nghiên cứu tận tâm, một số sản phẩm perovskite có thể được tung ra thị trường trong vòng một hoặc hai năm tới, vì vậy điều quan trọng là phải tìm hiểu về chúng ngay bây giờ. Thật không may, hầu hết thông tin về pin mặt trời perovskites trên web đều hướng đến các nhà nghiên cứu và nhà khoa học nghiên cứu và làm việc với những tài liệu này, và những thứ đó nhất thiết phải khá dày đặc và mang tính kỹ thuật.
Những gì tiếp theo dưới đây là nỗ lực của chúng tôi để trình bày chi tiết các tài liệu perovskite, nhưng không có nhiều thuật ngữ kỹ thuật và các khái niệm khó hiểu của một bài báo trên tạp chí học thuật. Một ngày nào đó, bạn có thể lắp đặt các tấm pin năng lượng mặt trời perovskite trên mái nhà của mình, vì vậy đã đến lúc tìm hiểu về những vật liệu thú vị này và ý nghĩa của chúng đối với năng lượng mặt trời trên mái nhà trong tương lai gần.
Perovskite là gì?
Perovskites là một loại vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc biệt tương tự như một khoáng chất cùng tên được phát hiện lần đầu tiên ở Nga vào năm 1839. Có nhiều loại perovskite tồn tại, nhưng thú vị nhất trong số này đối với ngành công nghiệp năng lượng mặt trời là các tinh thể được xây dựng từ hữu cơ và vô cơ phân tử nối với nguyên tử chì hoặc thiếc.
Hình ảnh trên là đại diện cho cấu trúc của một loại tinh thể perovskite chì halogen. Nó có một mạng lưới các phân tử 8 cạnh được gọi là chì halogenua (một nguyên tử chì kết nối với 6 nguyên tử halogen của iốt, clo hoặc brom), bao quanh một phân tử nhỏ hơn gọi là cation metylamoni (chúng tôi hứa điều này giống như khoa học bài báo này được) .
Tại sao perovskites lại quan trọng
Perovskites thú vị vì một số lý do, nhưng lý do mà chúng ta sẽ nói đến liên quan đến hiệu ứng quang điện, có nghĩa là “năng lượng điện từ ánh sáng”.
Thiếc hoặc chì có trong các vật liệu này rất tốt để sản xuất pin mặt trời giống như cách silicon được sử dụng để sản xuất pin mặt trời. Nguyên tử của các nguyên tố này là lý tưởng để tạo thành phân tử với các nguyên tử khác là vật liệu bán dẫn, mà các electron của chúng có thể bị kích thích bởi năng lượng ánh sáng và hướng dọc theo một sợi dây để tạo ra điện.
Không giống như tinh thể silicon, tinh thể perovskite khá dễ chế tạo trong những điều kiện khá bình thường. Tế bào Silicon trước hết phải được nung đến nhiệt độ cực cao để tạo ra vật liệu có độ tinh khiết và cấu trúc tinh thể phù hợp để tạo ra điện trong khi tế bào pin mặt trời perovskites có thể được tạo ra bằng cách trộn hóa chất trong dung dịch và phủ một bề mặt bằng dung dịch đó. Quá trình này phức tạp hơn một chút so với những gì chúng ta đang làm, nhưng phần lớn, việc sản xuất pin mặt trời perovskite trong tương lai có thể sẽ rẻ hơn và dễ dàng hơn đáng kể so với việc tạo ra các tế bào silicon.
Perovskites cũng rất quan trọng vì khả năng tạo ra điện của chúng có thể được “điều chỉnh” bằng cách kiểm soát các loại phân tử được tạo ra trong quá trình sản xuất. Việc điều chỉnh này dẫn đến vật liệu có “dải tần” lý tưởng, là lượng năng lượng cần thiết để đẩy một điện tử lên mức năng lượng cao hơn để nó có thể mang điện tích qua một mạch.
Perovskites, hiệu suất và dải tần số
Mọi nguyên tử trong vũ trụ đều có một hoặc nhiều điện tử trôi nổi xung quanh hạt nhân của nó, và các điện tử mang điện tích âm bị hút vào hạt nhân mang điện tích dương. Các phân tử được tạo thành từ nhiều nguyên tử hình thành dựa trên số lượng electron mà mỗi nguyên tử có, và các electron dùng chung sẽ trôi nổi xung quanh phân tử. Các điện tử ngoài cùng được cho là nằm trong “vùng hóa trị” của nguyên tử mà chúng quay quanh.
Điện mặt trời được tạo ra khi các photon ánh sáng “va chạm” các electron ngoài cùng của vật liệu bán dẫn lên trạng thái năng lượng cao hơn, do đó đẩy chúng ra khỏi vùng hóa trị và vào “vùng dẫn” của phân tử. Năng lượng tối thiểu cần thiết để đẩy một điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn được gọi là vùng cấm .
Khi một điện tử bị đẩy vào vùng dẫn, nó không còn bị mắc kẹt trong quỹ đạo của phân tử; thay vào đó, nó trở thành vật mang điện tích có thể di chuyển qua vật liệu mà nó là một phần của nó, mang theo năng lượng điện mà chúng ta có thể sử dụng.
Các photon có màu sắc khác nhau của ánh sáng mang những lượng năng lượng khác nhau, được đo bằng đơn vị gọi là “electronvolt” (eV). Các photon của ánh sáng nhìn thấy có năng lượng từ 1,75 eV (đỏ đậm) đến 3,1 eV (tím). Một vật liệu quang điện lý tưởng có dải tần là 1,34 eV, vì đó là điểm mà tại đó lượng ánh sáng nhìn thấy cực đại sẽ chuyển các electron thành hạt tải điện.
Có một khái niệm về năng lượng mặt trời liên quan đến bandgap được gọi là Hiệu suất chuyển đổi năng lượng, hoặc PCE, là lượng năng lượng mặt trời có thể được chuyển đổi thành điện năng bởi pin mặt trời. Một pin mặt trời sử dụng một kết nối duy nhất (thường được gọi là đường giao nhau) giữa các lớp vật liệu tích điện âm và dương với băng tần lý tưởng có thể chuyển đổi 33,7% tất cả ánh sáng tới thành điện năng. Hiệu suất lý tưởng này được gọi là giới hạn Shockley – Queisser, được đặt theo tên của các nhà vật lý đã khám phá ra nó.
Rắc rối với giới hạn Shockley – Queisser là không có vật liệu đơn lẻ nào mà chúng ta biết có dải tần hoàn hảo để đạt được nó.
Các pin mặt trời silicon có dải tần lý thuyết khoảng 1,2 eV, có nghĩa là chúng có PCE tối đa khoảng 32%. Vật liệu perovskite tốt nhất có thể đạt khoảng 31%, nhưng có những lý do tại sao có thể sử dụng vật liệu perovskite với bandgap cao hơn hoặc thấp hơn, mặc dù nó không phải là lý tưởng để sử dụng. Điều đó đưa chúng ta trở lại khái niệm “điều chỉnh bandgap”, như chúng ta đã thảo luận ở trên.
Bằng cách kiểm soát cấu tạo hóa học của tinh thể perovskite, các nhà khoa học vật liệu có thể sản xuất vật liệu perovskite để có một dải tần rất gần với lý tưởng để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, nhưng họ cũng có thể tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời perovskite nhiều lớp trong đó mỗi lớp có một dải tần khác nhau. Có nhiều lớp nghĩa là các photon năng lượng cao kích thích các điện tử trong các lớp với một dải tần rộng hơn và các photon năng lượng thấp kích thích các điện tử trong các lớp với một dải tần hẹp hơn. Bằng cách này, nhiều hơn trong tổng năng lượng mặt trời được chuyển đổi thành điện năng.
Công nghệ này đã cho thấy sự tiến bộ vượt bậc trong những năm gần đây và các tế bào đa điểm nối được tạo thành từ các lớp perovskite của các dải băng tần khác nhau đã đạt đến hiệu suất chuyển đổi 26%, mặc dù mới được nghiên cứu từ năm 2013. Hơn nữa, một lớp perovskite được điều chỉnh có thể được thêm vào trong một sự sắp xếp “tế bào kết hợp” với một tế bào silicon truyền thống để thu giữ các photon mà silicon không thể chuyển đổi, do đó làm tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
Một ngày nào đó, việc kết hợp công nghệ pin mặt trời perovskite với công nghệ tốt nhất dựa trên silicon có thể là chìa khóa để mở khóa các tế bào năng lượng mặt trời có thể biến 50% ánh sáng mặt trời thành điện năng. Điều đó sẽ rất lớn, vì Maxeon hiện có xếp hạng hiệu suất cao nhất trên thị trường với các tấm pin mặt trời của họ chuyển đổi 22,8% điện năng thành năng lượng sử dụng được.
Điểm mấu chốt của những điều ở trên là: hiệu suất của tế bào pin mặt trời perovskite có thể không bao giờ tốt bằng pin mặt trời silicon tốt nhất, nhưng nó sẽ đủ tốt với chi phí đủ thấp để lượng điện chúng sản xuất trên mỗi đô la chi tiêu cho chúng sẽ là thấp hơn nhiều so với các sản phẩm quang điện làm từ silicon .
Không thể phủ nhận lời hứa về pin mặt trời perovskite. Việc cắt giảm chi phí mà chúng có thể mang lại rất thú vị đến mức chính phủ liên bang Hoa Kỳ đã đầu tư hàng triệu đô la vào nghiên cứu perovskite thông qua Văn phòng Hiệu quả Năng lượng và Năng lượng Tái tạo. Vào năm 2020, 20 triệu đô la tài trợ đã có sẵn cho nghiên cứu perovskite, trải rộng giữa các sáng kiến để phát triển công nghệ tế bào, thực hành sản xuất tốt nhất và quy trình thử nghiệm tế bào.
Pin mặt trời perovskite được tạo ra như thế nào?
Chúng ta sẽ đơn giản hóa vấn đề này, bởi vì không cần thiết phải biết tất cả các chất hóa học tạo ra những thứ này để hiểu cách chúng hoạt động. Về cơ bản, perovskites có thể được tạo ra bằng cách sử dụng “hóa học ướt” trong đó các vật liệu như metylamoni chì iotua, metylamoni halogenua và các chất phụ gia khác được trộn với nhau trong một dung dịch. Sau đó, hỗn hợp được lắng đọng trên một chất nền như thủy tinh, oxit kim loại, polyme dẻo, pin mặt trời silicon hoặc thậm chí là gỗ trong suốt.
Sự lắng đọng của dung dịch perovskite thường được thực hiện thông qua lớp phủ quay, đây là loại khái niệm giống như máy Spin-Art mà trẻ em sử dụng để tạo ra các bức tranh vẽ trên giấy dày. Dung dịch được nhỏ hoặc phun lên bề mặt, sau đó được quay với tốc độ đủ cao để trải một lớp mỏng dung dịch trên bề mặt của nó. Khi các dung môi trong hỗn hợp bay hơi, chúng để lại các màng perovskite; các lớp tinh thể perovskite mỏng sẵn sàng được nối dây thành pin mặt trời.
Các loại pin mặt trời perovskite khác nhau
Tất cả các tế bào năng lượng mặt trời, bất kể chúng được làm bằng gì, đều có những điểm chung nhất định.
Chúng đều phải có ít nhất một lớp âm và một lớp dương bằng vật liệu quang điện; và chúng phải có các điện cực dẫn điện phía trước và phía sau để mang các electron mang điện mặt trời từ lớp âm dọc theo một dây dẫn để tạo ra điện trước khi đưa chúng trở lại lớp dương. Sau khi được gắn trong một mô-đun năng lượng mặt trời, các tế bào được niêm phong trong một lớp bao bọc để bảo vệ chúng khỏi bị hư hại do thời tiết.
Về cơ bản, có hai loại pin mặt trời perovskite khác nhau: tế bào màng mỏng với perovskite là vật liệu quang điện duy nhất và tế bào kết hợp, có nhiều lớp perovskite hoặc một lớp perovskite mỏng bên trên silicon tinh thể truyền thống.
Để làm phức tạp vấn đề một chút, cũng có những tế bào kết hợp màng mỏng với một lớp perovskite bên trên đồng indium gallium selenua (CIGS), một công nghệ năng lượng mặt trời màng mỏng đã được hoàn thiện.
Ưu và nhược điểm của perovskites
Như chúng ta đã thảo luận ở trên, pin mặt trời perovskite rất thú vị bởi vì chúng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng gần giống như silicon, nhưng có khả năng được sản xuất với giá rẻ hơn nhiều. Thật không may, perovskites cũng có những mặt trái.
Ưu điểm
- Tương đối dễ sản xuất và đóng cặn trên bề mặt bằng các quy trình chi phí thấp
- Tiềm năng cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao
- Băng tần có thể điều chỉnh được, có nghĩa là nó có thể được sản xuất để gần như lý tưởng cho việc tạo ra năng lượng mặt trời
- Sản xuất cần ít vật liệu hơn 20 lần so với tế bào silicon và không sử dụng kim loại đất hiếm
- Quy trình sản xuất tốn ít năng lượng hơn nhiều so với quy trình sản xuất pin mặt trời truyền thống
Nhược điểm
- Perovskites bị phá vỡ theo thời gian khi tiếp xúc với độ ẩm, ánh sáng, nhiệt và oxy, có nghĩa là cần có các công nghệ bổ sung được phát triển để ổn định các tế bào để sử dụng rộng rãi
- Các pin mặt trời perovskite tốt nhất để tạo ra năng lượng có chứa chì, là một chất độc thần kinh; tuy nhiên, ngành công nghiệp đang nghiên cứu các cách để giảm độc tính perovskite tiềm ẩn
- Tế bào Perovskite chưa sẵn sàng để bán thương mại
Khó có thể nói quá những ưu điểm của vật liệu perovskite cho các ứng dụng quang điện, và các nhà nghiên cứu đã đạt được một số tiến bộ trong việc giải quyết những hạn chế của hàm lượng chì và tính ổn định của vật liệu.
Một số giải pháp khả thi bao gồm thay thế perovskite chì bằng các perovskite làm từ thiếc (mặc dù perovskite thiếc thí nghiệm có hiệu suất chuyển đổi điện năng thấp hơn nhiều) và các chất bao bọc polyme đặc biệt liên kết với chì và ngăn nó rửa trôi ra ngoài trong trường hợp các tế bào bị hư hỏng.
Ai sản xuất pin mặt trời perovskite và khi nào mọi người có thể mua chúng?
Gần như tất cả các tế bào năng lượng mặt trời perovskite hiện đang được các nhà nghiên cứu, chế tạo ở những nơi như Phòng thí nghiệm và thử nghiệm về khả năng tạo ra năng lượng mặt trời cũng như độ ổn định và độ bền lâu dài trong các điều kiện môi trường thông thường. Đây chủ yếu là các tế bào thử nghiệm có kích thước như tem thư, chưa sẵn sàng để bán cho công chúng. Tuy nhiên, có một số công ty nói rằng việc thương mại hóa perovskites trên quy mô lớn không còn xa.
OxfordPV
Một công ty như vậy, Oxford PV, chào hàng các tế bào kết hợp perovskite / silicon hiệu quả cao của mình là gần như đã sẵn sàng. Bước đột phá lớn của Oxford trong lĩnh vực quang điện perovskite là công bố pin kết hợp hiệu suất 29,52% vào tháng 12 năm 2020 – hiệu suất cao nhất từng được xác minh trong pin mặt trời vào thời điểm đó.
Vào năm 2021, Oxford công bố tin tức rằng công việc tại cơ sở sản xuất của họ ở Brandenburg, Đức đã hoàn tất và việc sản xuất sẽ bắt đầu vào khoảng “năm 2022”. Nhưng khi thông báo về việc hoàn thành cơ sở, Oxford đồng thời cắt đứt quan hệ với Meyer Burger, đối tác đã giúp họ xây dựng nó. Sự chia tay đó đã dẫn đến một sự phân tách khá lộn xộn , và theo văn bản này, cơ sở Brandenburg không sản xuất các tế bào kết hợp perovskite-silicon như mong đợi.
Qcells
Có lẽ ứng cử viên tiềm năng thứ hai để tiếp thị các sản phẩm pin mặt trời perovskite là Qcells, công ty cho biết họ đang xây dựng dây chuyền sản xuất perovskite tại một cơ sở mới của Hàn Quốc. Qcells là một trong những nhà sản xuất mô-đun năng lượng mặt trời lớn nhất trên thế giới và nó có kế hoạch mở rộng các cơ sở của mình trên toàn cầu, bao gồm tăng gấp đôi quy mô của cơ sở tại Dalton, Georgia, nơi đã là nhà máy sản xuất năng lượng mặt trời lớn nhất ở Tây bán cầu.
Saule
Một công ty khác, Saule Technologies, hiện đang tìm kiếm đối tác cấp phép cho “rèm năng lượng mặt trời động học”, có tính năng perovskite in phun được thêm vào rèm kiểu venetian cánh rộng, như trong hình dưới đây.
Saule Technologies rất thú vị vì nó được thành lập bởi Olga Malinkiewicz, người đã có những khám phá đột phá trong công nghệ perovskite khi đang làm nghiên cứu sinh tại Đại học Valencia. Công việc của cô là một trong những chất xúc tác cho sự phát triển bùng nổ trong nghiên cứu perovskite. Bất chấp những hứa hẹn về các sản phẩm này, cần lưu ý rằng Saule đã tìm kiếm đối tác cho công nghệ này trong gần 2 năm, mà không có người kiểm tra.
