Ngày 7 tháng 2 năm 2024bởi Martina Grünwald và Sarah Michaud
Tandem solar đặt các cell perovskite mới lên trên các cell silicon tiêu chuẩn . Perovskite hấp thụ các bước sóng ánh sáng ngắn hơn mà silicon bỏ lỡ. Vì vậy, lớp perovskite mỏng thu thập các bước sóng khả kiến và cho phép ánh sáng gần hồng ngoại xuyên qua silicon bên dưới. Martina Grünwald và Sarah Michaud viết cho WEF chỉ ra kết quả của hoạt động R&D và các cuộc trình diễn ở Đức, Thụy Sĩ, Ả Rập Xê Út và Trung Quốc. Tỷ lệ chuyển đổi năng lượng dao động từ 29% đến 34% , những con số trước đây chỉ đạt được bằng các chất bán dẫn III/V đắt tiền cho vệ tinh và nhà máy điện tập trung. Các nhà nghiên cứu cho biết 40% là có thể đạt được về mặt kỹ thuật , vượt xa các kỷ lục hiện tại. Đến năm 2050, nhu cầu điện toàn cầu được dự đoán sẽ đạt 75 TW. Nếu năng lượng mặt trời muốn cung cấp 90% nhu cầu đó, công suất phải tăng trưởng với tốc độ hàng năm là 25% trong bảy năm tới. Các tác giả cho biết những tiến bộ trong công nghệ perovskite giúp mục tiêu đó dễ đạt được hơn, nhưng vẫn luôn cần có sự đổi mới liên tục, giảm chi phí và các chính sách công hỗ trợ cho ngành năng lượng mặt trời.
- Công nghệ pin mặt trời song song – ghép nối các pin perovskite mới với các pin silicon tiêu chuẩn – có thể đẩy nhanh quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu từ nhiên liệu hóa thạch sang các nguồn năng lượng bền vững.
- Các nhà nghiên cứu hiện đang báo cáo hiệu suất chuyển đổi năng lượng phá kỷ lục của bộ đôi pin mặt trời này. Một nhóm nghiên cứu từ Helmholtz Zentrum Berlin báo cáo hiệu suất đạt hơn 30%, với hiệu suất lý thuyết có thể đạt 40% .
- Để đạt được mục tiêu giảm thiểu biến đổi khí hậu cấp bách, các chính sách toàn cầu phải thể hiện cam kết dài hạn và đảm bảo an ninh thị trường cho ngành công nghiệp sản xuất và nghiên cứu phát triển pin mặt trời.
Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng dồi dào và tái tạo. Trên thực tế, lượng ánh sáng mặt trời chiếu xuống Trái Đất trong một giờ chứa nhiều năng lượng hơn nhu cầu năng lượng của thế giới trong một năm . Ánh sáng mặt trời có thể được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng bằng một thiết bị gọi là pin quang điện (thường được gọi là pin mặt trời). Pin mặt trời silicon truyền thống đã được sử dụng trên toàn thế giới. Tuy nhiên, những tiến bộ hơn nữa đang được triển khai.
Công nghệ pin mặt trời song song
Hiện nay, công nghệ pin mặt trời song song – cụ thể là xếp chồng một pin mặt trời perovskite siêu mỏng lên trên một pin mặt trời silicon tiêu chuẩn – đang phá vỡ kỷ lục về khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Với hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời song song hiện đạt hơn 30%, các chuyên gia cho rằng những tấm pin quang điện công nghệ cao này sẽ đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi nhanh chóng sang năng lượng tái tạo vốn rất cần thiết.
“Chúng tôi rất phấn khởi trước những tiến bộ vượt bậc này”, Steve Albrecht, Trưởng nhóm Nghiên cứu viên Trẻ về Pin Mặt trời Perovskite Tandem tại Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), Đức, cho biết. “Chúng mang lại cho chúng tôi hy vọng rằng công nghệ này có thể đóng góp quan trọng vào nguồn cung cấp năng lượng bền vững và giá cả phải chăng, không chỉ cho phần lớn dân số mà còn cho cuộc chiến chống biến đổi khí hậu trong những năm tới, bởi vì việc mở rộng quy mô và sản xuất công nghiệp pin mặt trời perovskite-silicon tandem cũng hoàn toàn khả thi.”
Thu được nhiều ánh sáng hơn với perovskite
Pin quang điện silicon ngày nay chỉ chuyển đổi một dải nhỏ các bước sóng ánh sáng mặt trời dài hơn thành điện năng. Perovskite, một hợp chất bán dẫn nhẹ, giá thành thấp, có thể được “điều chỉnh” để hấp thụ các bước sóng ánh sáng ngắn hơn mà pin mặt trời silicon bỏ lỡ . Khi kết hợp, một lớp perovskite siêu mỏng phủ lên trên pin mặt trời silicon có thể chuyển đổi nhiều ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện hữu ích hơn so với việc chỉ sử dụng một trong hai loại pin riêng lẻ.
Bí quyết nằm ở chỗ lớp perovskite sử dụng toàn bộ dải bước sóng của ánh sáng khả kiến [380 – 700 nm] và chuyển đổi nó thành dòng điện. Mặt khác, ánh sáng cận hồng ngoại [800 – 2.500 nm] xuyên qua lớp perovskite, chiếu vào tế bào silicon bên dưới và được chuyển đổi thành năng lượng điện. Bằng cách hoạt động song song, bộ đôi pin mặt trời này tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng lên hơn 30% (lượng năng lượng được chuyển đổi từ ánh sáng mặt trời chiếm 30% tổng năng lượng đầu vào). Về mặt lý thuyết, con số này có thể đạt 40%.
Nghiên cứu trên toàn thế giới
Ngoài HZB, các nhóm từ nhiều viện nghiên cứu và ngành công nghiệp khác cũng đã đạt được tiến bộ trong việc tăng hiệu suất của pin mặt trời song song:
- 29,8% Helmholtz Zentrum, Berlin, Đức (21/12);
- 31,3% École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Thụy Sĩ (22/7);
- 32,5% Helmholtz Zentrum, Berlin, Đức (22/12);
- 33,7% Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah, Phòng thí nghiệm quang điện, Thuwal, Ả Rập Xê Út (ngày 23 tháng 4);
- 33,9% Công ty TNHH Công nghệ Năng lượng Xanh LONGi, Thành phố Tây An, Trung Quốc (ngày 23 tháng 11).
Không giống như silicon, các đặc tính của perovskite có thể được nhà sản xuất tùy chỉnh (điều chỉnh) để phù hợp nhất với nhu cầu của họ. Bằng cách sử dụng các tỷ lệ vật liệu khác nhau để chế tạo perovskite, nhà sản xuất có thể tạo ra perovskite với màu sắc cụ thể, hấp thụ một dải bước sóng ánh sáng cụ thể. Pin perovskite cũng mỏng hơn, nhẹ hơn và chi phí sản xuất thấp hơn nhiều so với pin silicon .
Con đường đạt 75 terawatt vào năm 2050
Một báo cáo từ ban khoa học khí hậu của Liên hợp quốc nêu rằng năng lượng tái tạo “có thể và nên” cung cấp 90% điện năng vào năm 2050 để thế giới có cơ hội tốt trong việc hạn chế mức nóng lên ở mức 1,5°C theo Thỏa thuận Paris và tránh những tác động tồi tệ nhất của biến đổi khí hậu.
Điện mặt trời phải tăng trưởng 25% mỗi năm
Đến năm 2050, nhu cầu điện toàn cầu dự kiến sẽ đạt 75 terawatt (TW). Để đáp ứng nhu cầu này bằng các nguồn năng lượng tái tạo, ngành công nghiệp quang điện cần tăng trưởng với tốc độ hàng năm 25% trong bảy năm tới . Điều này, không có gì ngạc nhiên, sẽ đặt ra nhu cầu rất lớn cho các ngành công nghiệp nghiên cứu và phát triển (R&D) và sản xuất pin mặt trời.
Mặc dù 75 TW vào năm 2050 là một mục tiêu xa vời, nhưng hoàn toàn khả thi. Ngành công nghiệp pin mặt trời đã tăng gấp đôi sản lượng hàng năm sau mỗi ba năm và chi phí xây dựng các dây chuyền sản xuất mới đã giảm 50% trên toàn thế giới . Năm ngoái, TW điện đầu tiên từ pin mặt trời đã được tạo ra. TW tiếp theo dự kiến sẽ đạt được vào năm 2024, và dự kiến đạt sản lượng một TW mỗi năm vào năm 2028.
Chi phí công nghệ năng lượng mặt trời cũng đã giảm đáng kể trong 30 năm qua, nhờ những tiến bộ công nghệ – bao gồm pin mặt trời perovskite song song và silicon – cùng với các chính sách công giúp giảm chi phí bổ sung. Tuy nhiên, việc đạt được 75 TW vào năm 2050 sẽ phụ thuộc vào sự đổi mới liên tục, giảm chi phí và các chính sách công hỗ trợ .
Ông vua mới của thị trường năng lượng
Hiệu suất của pin mặt trời của các pin song song silicon-perovskite hiện đã đạt đến mức trước đây chỉ có thể đạt được bằng chất bán dẫn III/V đắt tiền , được sử dụng trong nguồn điện của vệ tinh và các nhà máy điện tập trung.
Với công nghệ và quy trình sản xuất pin mặt trời song song đã được thử nghiệm về nguyên tắc, trọng tâm hiện nay là thử nghiệm hiệu suất của pin mặt trời song song trong bối cảnh thực tế và thúc đẩy các chính sách hỗ trợ mở rộng ngành công nghiệp quang điện.
Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu mô tả công nghệ quang điện là giải pháp năng lượng tái tạo có thể đóng góp lớn nhất và nhanh nhất vào quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu . Giám đốc điều hành Cơ quan Năng lượng Quốc tế Fatih Birol cũng mô tả năng lượng mặt trời là vị vua mới của thị trường năng lượng thế giới.
Năng lượng mặt trời quả thực có thể có một tương lai tươi sáng. Tuy nhiên, cần phải duy trì tinh thần cấp bách trong việc đưa pin mặt trời song song và các công nghệ quang điện khác ra thị trường bởi vì, như nhóm HZB thúc giục, “chờ đợi không phải là một lựa chọn”.
***
Martina Grünwald là Quản lý nội dung trực tuyến tại Hiệp hội Helmholtz
Sarah Michaud là một nhà văn và biên tập viên khoa học tự do
Bài viết này được tái bản theo Giấy phép Công cộng Quốc tế Creative Commons Ghi công-Phi thương mại-Không phái sinh 4.0