Tìm hiểu Pin mặt trời Perovskite và so sánh với các công nghệ khác

Các loại pin mặt trời phổ biến nhất được sản xuất bằng công nghệ silicon tinh thể (c-Si) hoặc pin mặt trời màng mỏng, nhưng đây không phải là những lựa chọn khả dụng duy nhất. Có một bộ vật liệu thú vị khác có tiềm năng lớn cho các ứng dụng năng lượng mặt trời, được gọi là perovskites. Pin mặt trời Perovskite là lựa chọn chính cạnh tranh để thay thế pin mặt trời c-Si như là vật liệu hiệu quả và rẻ tiền nhất cho các tấm pin mặt trời trong tương lai.

Perovskites có tiềm năng sản xuất các tấm pin mặt trời mỏng hơn và nhẹ hơn, có thể được tạo ra ở nhiệt độ phòng thay vì hàng trăm độ, đồng thời rẻ hơn và dễ vận chuyển và lắp đặt hơn. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ phân tích sâu về công nghệ đầy hứa hẹn đang được ngành năng lượng mặt trời nghiên cứu. Ở đây chúng tôi sẽ giải thích những điều cơ bản về pin mặt trời perovskite, so sánh chúng với các công nghệ khác và giải thích các biến thể khác nhau của pin mặt trời có perovskite.

Pin mặt trời perovskite là gì?

Perovskites, bao gồm một họ vật liệu được đặt tên theo loại khoáng chất mà chúng được tạo ra, Perovskites. Perovskites được nghiên cứu làm vật liệu hấp thụ lần đầu tiên vào năm 2006, với kết quả được công bố vào năm 2009.

Các perovskite có tiềm năng lớn trong ngành công nghiệp năng lượng mặt trời để tạo ra các pin mặt trời perovskite, khiến chúng trở thành loại  pin quang điện thế hệ thứ 3.^. Chỉ trong 5 năm, hiệu suất của pin mặt trời perovskite đã tăng từ dưới 4% lên trên 20%, hơn 15 năm sau, hiệu suất còn tăng hơn nữa, đạt hiệu suất pin mặt trời perovskite là 30%.

Perovskite có cấu trúc tinh thể gần giống với khoáng chất bao gồm oxit titan canxi, loại perovskite đầu tiên được phát hiện, nhưng các nhà nghiên cứu đang khám phá nhiều lựa chọn perovskite như triiodide chì metyl amoni (CH ₃ NH ₃ ). Khoáng chất này có thể được sửa đổi để áp dụng các đặc tính vật lý, quang học và điện tùy chỉnh, làm cho nó phù hợp hơn cho các loại ứng dụng khác nhau.

Các ứng dụng của pin mặt trời perovskite khá đa dạng, nhờ công nghệ này có các đặc điểm độc đáo  như hệ số hấp phụ cao, vận chuyển tách sóng mang dài, khoảng cách lớn hơn giữa các điện tử và lỗ trống, và khả năng được điều chỉnh để hấp thụ các màu ánh sáng khác nhau (bước sóng) từ quang phổ mặt trời.

Do có những đặc điểm này, pin mặt trời perovskite có tiềm năng thay thế các tấm pin mặt trời c-Si truyền thống và thậm chí là hầu hết các loại quang điện màng mỏng.

Để hiểu rõ hơn về công nghệ này, điều quan trọng là phải phân tích sâu hơn. Trong phần này, chúng ta sẽ đi sâu vào chi tiết của pin mặt trời perovskite, giải thích cấu trúc và vật liệu của chúng, cách hoạt động và những trở ngại chính làm chậm quá trình sản xuất hàng loạt tấm pin mặt trời perovskite.

Cấu trúc và vật liệu cho pin mặt trời perovskite

Cấu trúc của pin mặt trời perovskite hơi khác so với cấu trúc của pin mặt trời cổ điển Al-BSF c-Si. Pin mặt trời Perovskite có thể được sản xuất bằng cách sử dụng kiến ​​trúc n-i-p hoặc p-i-n thông thường, kẹp lớp hấp thụ perovskite giữa Lớp vận chuyển lỗ trống (HTL) và Lớp vận chuyển điện tử (ETL). Thứ tự của các lớp này thay đổi theo kiến ​​trúc của tế bào.

Có hai loại lớp hấp thụ perovskite: phẳng và trung tính. Các lớp phẳng loại bỏ vật liệu giàn giáo mê hoặc, chỉ để lại lớp perovskite. Mặt khác, các lớp perovskite trung tính đặt dung dịch perovskite lỏng lên các vật liệu làm giàn giáo, với các vật liệu cho lớp giàn giáo trung lưu là các chất dẫn điện như titan điôxít (TiO ₂ ) và Ôxít kẽm (ZnO) hoặc chất cách điện như Ôxít nhôm (Al ₂ O ₃ ) và Zirconi đioxit (ZrO ₂ ).

Các nhà sản xuất pin mặt trời Perovskite đặt một lớp hấp thụ perovskite giữa ETL và HTL, với cả hai lớp này được kẹp giữa các điện cực, và lớp trong suốt sau đó được phủ bằng thủy tinh. Phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất sử dụng phương pháp lắng đọng với Phương pháp một bước , nhưng có những phương pháp sản xuất khác nhau sử dụng phương pháp lắng đọng hai bước, Hỗ trợ hơi hoặc Lắng đọng hơi nhiệt.

Tùy thuộc vào việc sử dụng lớp perovskite phẳng hoặc phẳng và kiến ​​trúc của pin mặt trời, các vật liệu khác nhau có thể được đặt cho cực dương / cực âm của lớp và các thứ tự khác nhau cho tấm sau và lớp trong suốt. Pin mặt trời perovskite n-i-p có cực dương bằng vàng (Au) và lớp trong suốt được pha tạp chất Flo (FTO), trong khi pin mặt trời perovskite pin có thể có cực âm bằng nhôm (Al) và cực dương thiếc Indium (ITO).

Các thành phần tinh thể khác nhau cho perovskites và các biến thể có thể được tạo ra, tùy thuộc vào các đặc tính cần thiết cho các ứng dụng khác nhau. Loại perovskite phổ biến nhất được sử dụng cho pin mặt trời được gọi là perovskite chì halogen, và nó dựa trên halogenua chì metyl amoni.

Pin mặt trời perovskite hoạt động như thế nào?

Về cơ sở đơn giản, năng lượng mặt trời perovskite được tạo ra tương tự như hầu hết các công nghệ quang điện, dưới hiệu ứng quang điện. Các photon trong ánh sáng mặt trời va vào lớp hấp thụ perovskite, kích thích và giải phóng các electron, tạo ra một cặp electron-lỗ trống (eh). Sau đó, điện tử di chuyển về phía HTL, vận chuyển điện tử đến vật dẫn, cung cấp năng lượng cho tải.

Sau khi các electron cung cấp năng lượng cho tải bằng cách chạy như một dòng điện, chúng sẽ được ETL thu thập trong bảng năng lượng mặt trời perovskite, lớp này cũng ngăn chặn dòng chảy ngược của các lỗ trống. Các electron bị kích thích có thể lấp đầy các lỗ trống thay vì chạy qua tải dưới dạng điện, gây ra một số tổn thất năng lượng mặt trời perovskite trong một quá trình được gọi là tái kết hợp bề mặt.

Con đường sản xuất hàng loạt tấm pin mặt trời perovskite

Pin mặt trời Silicon tinh thể lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1916, với ứng dụng năng lượng mặt trời đầu tiên của nó có niên đại từ năm 1950. Perovskite là một công nghệ pin mặt trời khá mới và đang phát triển với ứng dụng đầu tiên được báo cáo vào năm 2009. Điều này có thể hiểu được rằng việc sản xuất hàng loạt pin mặt trời perovskite vẫn có thể gặp phải một số rào cản.

Để công nghệ tấm pin mặt trời perovskite thành công về mặt thương mại, các chuyên gia và nhà sản xuất pin mặt trời perovskite phải làm việc để giải quyết một số thách thức của công nghệ này, đặc biệt tập trung vào sản xuất quy trình sản xuất hàng loạt, hiệu quả pin mặt trời perovskite với kích thước lớn hơn và tăng tuổi thọ của tế bào.

Vẫn còn nhiều thách thức mà ngành công nghiệp năng lượng mặt trời phải vượt qua để perovskite trở thành một công nghệ khả thi cho các ứng dụng lâu dài thực sự. Tin tốt là các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đang nỗ lực hết sức để giải quyết những vấn đề này cho tương lai.

Perovskite so với pin mặt trời silicon tinh thể

Công nghệ silicon tinh thể đã là tiêu chuẩn trong nhiều thập kỷ trong ngành công nghiệp năng lượng mặt trời. Đây là một công nghệ đã trưởng thành với các quy trình sản xuất hàng loạt được thiết lập tốt tập trung vào việc giảm chi phí cho các mô-đun quang điện c-Si. Công nghệ này có cấu trúc Al-BSF, sử dụng c-Si đơn tinh thể (Mono c-Si) hoặc đa tinh thể c-Si (Poly c-Si) cho lớp hấp thụ.

Xem xét tương lai đầy hứa hẹn cho các tấm pin mặt trời perovskite, điều quan trọng là phải so sánh công nghệ này với các tấm pin mặt trời silicon tinh thể đã được phát triển hiện nay. Trong bảng sau, chúng tôi so sánh cả hai công nghệ, để cung cấp cho bạn hiểu biết sâu hơn về tiềm năng của xu hướng phát triển mới này trong ngành năng lượng mặt trời.

	Silicon đơn tinh thể (mono c-Si)	Silicon đa tinh thể (poly c-Si)	Perovskites
Hiệu suất được ghi nhận cao nhất	25,4%	24,4%	29,15%
Tuổi thọ	25-30 năm		30 tháng (2,5 năm)
Tiềm năng hấp thụ ánh sáng	Bước sóng của ánh sáng 1.100 nm		Bước sóng của ánh sáng 850 nm
Hệ số nhiệt độ	-0,39% / ºC	-0,38% / ºC	-0,13% / ºC
Chi phí sản xuất	0,16 USD / W – 0,46 USD / W	$ 0,24 / W	$ 0,16 / W
Các ứng dụng	Khu dân cư & công nghiệp	Khu dân cư & công nghiệp	Tiềm năng cho các ứng dụng dân dụng, thương mại, công nghiệp, Quang điện tích hợp trong tòa nhà (BIPV), chiến thuật và vũ trụ.

Hiệu quả của pin mặt trời perovskite là một khía cạnh vượt trội mà công nghệ này nổi bật. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã đạt được hiệu suất được ghi nhận là 29,15%, gần 30%, cao hơn 3,75% so với hiệu suất cao nhất được ghi nhận đối với công nghệ silicon tinh thể Al-BSF. Cần biết rằng, c-Si là một công nghệ đã hoàn thiện cao, điều này cho thấy tiềm năng đầy hứa hẹn của các tấm pin mặt trời perovskite.

Tuy nhiên, một trong những trở ngại lớn mà công nghệ pin mặt trời perovskite phải đối mặt là tuổi thọ của các tế bào. Công nghệ pin mặt trời c-Si là một công nghệ đã trưởng thành có tuổi thọ lên đến 30 năm, trong khi các tấm pin mặt trời perovskite chỉ kéo dài được 30 tháng trong những trường hợp tốt nhất, hiện tại nó không thực tế đối với hầu hết các ứng dụng trong thế giới thực.

Một sự khác biệt thú vị giữa c-Si và perovskites là khả năng hấp thụ ánh sáng. Silic tinh thể bị giới hạn trong việc hấp thụ các bước sóng bằng hoặc cao hơn 1.100 nm, trong khi perovskite có thể được điều chỉnh để đáp ứng với nhiều màu sắc hơn trong quang phổ mặt trời. Tính năng này có thể được khai thác trong tương lai, tạo ra các tấm pin mặt trời chuyển đổi hầu hết các bước sóng trong quang phổ mặt trời. Pin mặt trời Perovskite cũng có tiềm năng được sử dụng cho các ứng dụng vũ trụ.

Chi phí sản xuất pin mặt trời perovskite hiện đang tương đương với chi phí thấp nhất cho silicon tinh thể. Điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn thú vị, đặc biệt khi xem xét rằng c-Si là một công nghệ đã trưởng thành với nhiều năm phát triển trong lĩnh vực giảm chi phí. Người ta ước tính rằng các tấm pin mặt trời perovskite trong tương lai có thể có giá khoảng 0,10 USD / watt, khiến nó trở thành một trong những công nghệ PV rẻ nhất trong lịch sử.

Cuối cùng, các ứng dụng khác nhau cho tấm pin mặt trời perovskites có thể nhanh chóng thay thế công nghệ c-Si, sau khi thiết lập tốt quy trình sản xuất hàng loạt và tìm ra cách để kéo dài tuổi thọ dự kiến ​​cho các cấp thị trường.

Perovskite so với các công nghệ pin mặt trời màng mỏng khác

Công nghệ pin mặt trời Perovskite được coi là công nghệ quang điện màng mỏng, vì pin mặt trời perovskite cứng hoặc linh hoạt được sản xuất với các lớp hấp thụ 0,2-0,4 μm , dẫn đến các lớp thậm chí còn mỏng hơn so với pin mặt trời màng mỏng cổ điển có các lớp 0,5-1 μm. So sánh cả hai công nghệ cung cấp một sự tương phản thú vị giữa chúng.

Ngoại trừ công nghệ màng mỏng III-V GaAs có hiệu suất ghi nhận cao nhất là 68,9%, hiệu suất pin mặt trời perovskite ở mức 29,15% có thể được coi là công nghệ màng mỏng hiệu quả nhất, vượt qua hiệu suất chuyển đổi 14,0%, 22,1% và 23,4% cho các công nghệ màng mỏng silic vô định hình (a-Si), cadmium telluride (CdTe) và đồng indium gallium selenide (CIGS), tương ứng.

Công nghệ pin mặt trời Perovskite cũng vượt xa mọi lựa chọn màng mỏng khác về giá thành của nó. Quang điện màng mỏng thông thường có giá khoảng 0,40 đô la đến 0,69 đô la cho mỗi watt, trong khi công nghệ GaAs có chi phí 50 đô la cho mỗi watt. Tất cả những mức giá này đều vượt xa mức chi phí thấp 0,16 đô la cho mỗi watt cho công nghệ pin mặt trời perovskite, có thể giảm xuống còn 0,10 đô la trong tương lai.

Công nghệ năng lượng mặt trời màng mỏng được biết đến với hiệu suất tuyệt vời ở các nhiệt độ khác nhau do hệ số nhiệt độ thấp, nhưng công nghệ pin mặt trời perovskite thậm chí còn hoạt động tốt hơn hầu hết các loại quang điện màng mỏng (CdTe, CIGS và a-Si) có hệ số nhiệt độ khác nhau từ -0,172% / ºC đến -0,36% / ºC. Pin mặt trời GaAs là công nghệ duy nhất có hệ số nhiệt độ 0,09% / ºC, vượt qua hiệu suất của pin mặt trời perovskite.

CdTe và CIGS PV chủ yếu được giới hạn trong các ứng dụng thương mại và công nghiệp, trong khi màng mỏng a-Si được sử dụng cho ván lợp năng lượng mặt trời (BIPV) và pin mặt trời GaAs được sử dụng cho các ứng dụng không gian. Công nghệ pin mặt trời perovskite linh hoạt có tiềm năng được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau, thay thế quang điện màng mỏng và nó cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng dân dụng vì nó có hiệu quả vượt trội và chi phí thấp.

Pin mặt trời perovskite kết hợp silicon là gì?

Khi tìm hiểu về pin mặt trời perovskite, điều quan trọng là phải xem xét một biến thể của perovskite, đó là pin mặt trời kết hợp perovskite-silicon. Đây là những pin mặt trời có thiết kế độc đáo kết hợp silicon truyền thống với pin mặt trời perovskite.

Pin mặt trời kết hợp perovskite silicon được tạo ra bằng cách xếp chồng một lớp hấp thụ perovskite (bao gồm HTL và ETL), trên đầu một lớp c-Si loại n, có lớp tái tổ hợp giữa chúng, được tạo ra từ a-Si (a-Si) đã được hydro hóa : H) hoặc silicon tinh thể nano (nc-Si). Các tế bào năng lượng mặt trời này hoạt động bằng cách tận dụng c-Si khai thác bước sóng dài và perovskite khai thác bước sóng ngắn để tạo ra điện.

Pin mặt trời kết hợp perovskite silicon ổn định một phần vật liệu perovskite bằng cách có dải tần rộng và duy trì việc vận chuyển hạt tải điện hiệu quả của perovskite ban đầu. Các pin mặt trời này mang lại những lợi ích thú vị như hiệu suất được ghi nhận là 29%, ít bước sản xuất và lớp tiếp xúc yêu cầu hơn, đầu ra điện áp lớn hơn và hiệu suất tuyệt vời ở nhiệt độ cao.

Cũng giống như với pin mặt trời perovskite một mặt tiếp giáp, pin mặt trời perovskite silicon kết hợp phải đối mặt với một số trở ngại như giảm tuổi thọ của tế bào do ảnh hưởng của sự phân tách halogen và các yếu tố khác. Các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm cách kéo dài tuổi thọ của những tế bào này. Họ đã tìm ra cách để tạo ra các tế bào có tuổi thọ 20 năm, nhưng với khả năng sản xuất bị suy giảm tương đối nhanh.

Một công nghệ quan trọng khác không nên bỏ qua là pin mặt trời kết hợp perovskite-perovskite. Các tế bào này có cấu trúc tương tự như pin mặt trời perovskite silicon kết hợp sử dụng các lớp perovskite khác nhau. Pin mặt trời kết hợp perovskite-perovskite yêu cầu ít quy trình chế tạo hơn và ít năng lượng hơn để tái chế tế bào, nhưng quan trọng nhất là Thu hồi vốn đầu tư (ROI) nhanh chỉ 4 – 4,5 tháng.

Lợi ích của pin mặt trời perovskite

Công nghệ pin mặt trời Perovskite có nhiều hứa hẹn và mang lại lợi ích tuyệt vời cho ngành năng lượng mặt trời và khách hàng, nhưng giống như hầu hết các công nghệ đang trong quá trình trưởng thành của nó, nó đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải tìm cách khắc phục các yếu tố hạn chế như độ ổn định của tế bào, tuổi thọ, sản xuất hàng loạt, và một số khía cạnh khác vẫn còn hạn chế các ứng dụng pin mặt trời perovskite.

Tương lai của công nghệ pin mặt trời perovskite rất tươi sáng và rất có thể sẽ đưa ngành công nghiệp năng lượng mặt trời đến những chân trời mới trong những thập kỷ tiếp theo. Công nghệ này đã đạt được những lợi ích đáng kinh ngạc chỉ trong vòng hơn 15 năm, như những công nghệ sau:

• Hiệu suất pin mặt trời gần 30% ;
• Hiệu suất tuyệt vời trong thời tiết khắc nghiệt với hệ số nhiệt độ -0,13% / ºC;
• Chi phí sản xuất thấp;
• Tiềm năng cho nhiều ứng dụng;
• Các tế bào năng lượng mặt trời mỏng hơn và nhẹ hơn hầu hết các loại quang điện màng mỏng.

Triển vọng Công nghệ Perovskite

Trong khi hiện tại có một số trở ngại, các nhà nghiên cứu đang tìm cách sản xuất pin mặt trời perovskite ổn định, để làm cho chúng hoạt động giống như bất kỳ loại pin mặt trời nào khác. Với tiềm năng mang lại ROI nhanh hơn trong vòng chưa đầy một năm và tạo ra lượng điện năng cao, có nhiều dự đoán cho công nghệ năng lượng mặt trời perovskite.

Một số nghiên cứu không chỉ xem xét các pin mặt trời perovskite một mối nối mà còn đang xem xét kết hợp perovskite trong perovskite, perovskite-CIGS và perovskite-Organic Photovoltaic (OPV) kết hợp. Những sự kết hợp này có thể mang lại những lợi ích tuyệt vời như hiệu quả cao hơn, tăng tính ổn định và một số lợi ích khác.  

Một tiềm năng trong tương lai cho pin mặt trời perovskite là hiệu suất của chúng tăng cao hơn. Mặc dù công nghệ này đã đạt được hiệu suất 29,15%, nhưng trong tương lai có thể tạo ra hiệu suất gần 38%, đây là hiệu suất pin mặt trời perovskite tối đa theo lý thuyết của nó.

Tiềm năng cho một loạt các ứng dụng pin mặt trời perovskite là một khía cạnh khác mà công nghệ này vượt trội. Do perovskite có thiết kế linh hoạt hơn và nhẹ hơn hầu hết các loại quang điện màng mỏng và hiệu suất cao hơn so với các tấm pin mặt trời c-Si cứng truyền thống, công nghệ này có tiềm năng thay thế hoàn toàn các mô hình dựa trên màng mỏng và silicon, trở thành công nghệ chính trong ngành năng lượng mặt trời cho các ứng dụng dân dụng, thương mại, quy mô nhà máy điện lớn và thậm chí cả vũ trụ.