Khi ngành công nghiệp quang điện (PV) mở rộng quy mô sản xuất hàng năm ở mức terawatt để giảm nhanh lượng khí thải trên thế giới, việc tiếp tục giảm chi phí sẽ trở nên khó khăn hơn. Việc tăng sản lượng mô-đun từ mức hiện tại là 200 GW lên 300 GW và lên vài terawatt mỗi năm sẽ tiêu tốn hơn đáng kể tài nguyên vật liệu so với mức sử dụng hiện tại. Alison Lennon, nhà khoa học chính tại Sundrive Solar và là giáo sư tại Trường Kỹ thuật Năng lượng tái tạo và Quang điện của UNSW, cho biết điều này sẽ đòi hỏi phải xem xét các vật liệu bổ sung.
Mạ đồng có thể làm giảm nhu cầu bạc một cách hiệu quả hơn. Đồng mạ là đa tinh thể và do đó độ dẫn điện của nó lớn hơn nhiều so với bạc hoặc đồng đã qua xử lý.
Có thể lập luận rằng, khi trữ lượng nguyên liệu bị tiêu hao, ngành khai thác sẽ tăng cường thăm dò để duy trì tỷ lệ dự trữ / sản lượng không đổi. Tuy nhiên, thông thường cấp quặng trong các trữ lượng mới phát hiện giảm do các trữ lượng có chất lượng cao hơn đã được phát hiện và khai thác. Quặng chất lượng thấp hơn dẫn đến tăng chi phí tinh chế và cường độ phát thải cao hơn do cần nhiều năng lượng hơn để tinh chế quặng chất lượng thấp hơn. Cả hai yếu tố này sẽ làm tăng chi phí nguyên liệu thô cho nhà sản xuất quang điện.
Việc sử dụng nhiều bạc là một vấn đề đặc biệt đối với công nghệ dị liên kết silicon (HJT), vì các tế bào hai mặt HJT hiện yêu cầu khoảng 205 mg cho mỗi tế bào M10, tức là bổ sung khoảng 25 tấn / GW bạc cho các tế bào hiệu quả 24,5%. Việc sử dụng bạc này nhiều hơn gấp hai lần so với sử dụng cho các tế bào phát thụ động và tiếp xúc phía sau (PERC) hiện tại và cuối cùng có thể hạn chế việc sử dụng công nghệ HJT trong sản xuất, mặc dù nó là một trong những công nghệ tế bào hiệu quả nhất hiện có.
Một trong những lý do chính cho việc sử dụng bạc cao là các tế bào yêu cầu bột nhão bạc ở nhiệt độ thấp để không làm hỏng sự thụ động bề mặt của chúng. Những loại bột nhão này kém dẫn điện hơn; do đó cần phải có khối lượng bạc lớn hơn. Bột nhão ở nhiệt độ thấp cũng đòi hỏi thời gian đóng rắn lâu, điều này không mong muốn cho quá trình sản xuất. Một phương pháp thay thế đang được thử nghiệm cho các tế bào HJT để giảm chi phí luyện kim là bột nhão đồng. Tuy nhiên, cho đến nay, các hạt đồng trong các loại bột nhão này đòi hỏi phải có một lớp phủ bạc dày để giảm nguy cơ oxy hóa và lớp phủ này có thể bao gồm tới 50% trọng lượng của hạt. Các loại bột nhão hiện nay cũng mang lại lợi ích chi phí tối thiểu do kinh nghiệm thị trường còn hạn chế.
Mạ đồng có thể làm giảm nhu cầu bạc một cách hiệu quả hơn. Đồng mạ là đa tinh thể và do đó độ dẫn điện của nó lớn hơn nhiều so với bạc hoặc đồng đã qua xử lý. Tuy nhiên, không giống như bột nhão có thể được in lưới, trước tiên cần phải tạo một mặt nạ trên lớp oxit dẫn điện trong suốt (TCO) của ô SHJ trước khi đồng có thể được mạ lên bề mặt của ô. Bước tạo mặt nạ này làm tăng thêm sự phức tạp và tốn kém cho quy trình.
Ngoài ra, nhiều phương pháp mạ đồng yêu cầu lớp kim loại hạt trước tiên được áp dụng bằng cách lắng đọng hơi vật lý vào TCO để tăng độ bám dính của đồng được mạ và tạo ra điểm tiếp xúc “clip” điện cực trong quá trình mạ điện. Lớp hạt này phải được loại bỏ sau khi mạ, điều này làm tăng chi phí và độ phức tạp của quy trình. Hơn nữa, việc cắt các tế bào trong quá trình mạ không tương thích với các tấm mỏng hơn, dự kiến sẽ trở nên phổ biến hơn trong tương lai gần.
Đưa lý thuyết vào thực hành
Công ty khởi nghiệp Sundrive Solar của Úc đang giải quyết những thách thức này bằng quy trình mạ đồng trực tiếp và mặt nạ chi phí thấp. Mẫu có độ phân giải cao của công ty cho phép các ngón tay có kích thước hẹp tới 10 micron có thể được mạ trực tiếp lên bề mặt TCO của các tế bào HJT hai mặt. Quá trình này đã giúp nó đạt được hiệu suất tế bào cao tới 26,41% khi hợp tác với nhà cung cấp thiết bị công nghệ HJT của Trung Quốc Suzhou Maxwell Technologies Co, Ltd.
Quy trình mạ trực tiếp của Sundrive cũng cho phép mạ đồng đến TCO có hàm lượng indium thấp, được cho là sẽ được yêu cầu trong sản xuất số lượng lớn để giảm thiểu các lo ngại về tính bền vững liên quan đến trữ lượng indium trên toàn cầu hạn chế. Maxwell và Sundrive đã đạt được hiệu suất 25,94% cho một tế bào mạ đồng có TCO indium thấp. Điều này chứng tỏ rằng có thể giảm việc sử dụng cả bạc và indium trong tế bào HJT mà không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả.
Ngoài việc giảm chi phí sản xuất, việc Sundrive thay thế 25 tấn bạc bằng 13 tấn đồng trên mỗi GW có thể làm giảm lượng khí thải của các mô-đun HJT khoảng 6 kiloton CO2 tương đương (CO2e) trên mỗi GW. Sự giảm này trước hết là do khối lượng đồng yêu cầu trên mỗi tế bào thấp hơn; mà còn có cường độ phát thải thấp hơn khi sản xuất đồng so với bạc.
Ước tính của chúng tôi về việc giảm phát thải bằng cách sử dụng đồng thay cho bạc để luyện kim tế bào HJT là một giá trị thận trọng vì nó giả định rằng tất cả đồng đều thu được từ quá trình sản xuất sơ cấp. Do một phần lớn đồng có thể được cung cấp từ việc tái chế, do khối lượng đồng lớn hơn được sử dụng trong công nghiệp, nên lượng phát thải thực tế của các mô-đun HJT mạ đồng có khả năng thậm chí còn ít hơn giá trị ước tính của chúng tôi là 42 t CO2e / GW sản xuất tế bào HJT. Việc giảm phát thải thể hiện của các mô-đun PV mạ đồng cuối cùng sẽ được phản ánh trong chi phí mô-đun thấp hơn.
Thông tin về các Tác giả
Alison Lennon là nhà khoa học chính của công ty khởi nghiệp Sundrive Solar của Úc và là giáo sư tại Trường Kỹ thuật Năng lượng tái tạo và Quang điện tại UNSW Sydney, Úc. Các mối quan tâm nghiên cứu của cô bao gồm quá trình luyện kim và kết nối với nhau của pin mặt trời silicon và mô hình quang học và cơ nhiệt cho các mô-đun quang điện. Kể từ năm 2010, cô đã tổ chức các dự án nghiên cứu hợp tác tại UNSW với Suntech Power, Trina Solar và LONGi Solar. Cô là thành viên tương lai của ARC (2017-21), đã xuất bản hơn 200 bài báo khoa học và là nhà phát minh của 30 bằng sáng chế đã được cấp của Hoa Kỳ.
