Sử dụng vật liệu mới để chế tạo pin mặt trời

Tạo pin năng lượng mặt trời bằng vật liệu mới

Các nhà khoa học Mỹ mới đây phát triển một loại vật liệu chịu nhiệt mới có thể tạo ra các thiết bị năng lượng mặt trời hiệu quả cao mà không lãng phí nhiệt.

Vật liệu mới là một hợp chất bao gồm vonfam và gốm, có thể được sử dụng để tạo ra máy phát nhiệt chịu nhiệt với khả năng duy trì nhiệt độ ổn định ở mức 1.370 độ C.

Một tam pin nang luong mat troi thông thường gồm chất bán dẫn silicon có thể hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển đổi trực tiếp thành năng lượng điện. Tuy nhiên,chúng không hoàn toàn hiệu quả và chỉ phản ứng với ánh sáng hồng ngoại.

Sóng ánh sáng năng lượng cao hơn, bao gồm phần lớn quang phổ ánh sáng có thể nhìn thấy được, sẽ bị lãng phí như nhiệt, trong khi đó sóng ánh sáng năng lượng thấp hơn chỉ đơn giản đi qua các tấm điều khiển năng lượng mặt trời.

Các nhà nghiên cứu đã  biến đổi ánh sáng thành bước sóng ngắn hơn để truyền tế bào năng lượng mặt trời nên nó sẽ làm tăng hiệu quả về mặt lý thuyết của pin mặt trời đến 80%. 

Việc chuyển đổi nhiệt năng thành ánh sáng hồng ngoại cho phép các pin năng lượng mặt trời hấp thụ và tạo ra điện hay còn gọi là quang nhiệt điện.

Một loại vật liệu khác được sử dụng để sản xuất ra tấm pin năng lượng mặt trời có hình dạng cừu 5 chân bằng loạivật liệu phổ biến và rẻ tiền: silic.

Mỗi tế bào năng lượng mặt trời phải đáp ứng được 3 yêu cầu: hấp thụ ánh sáng tốt, thu thập được electron và tạo ra dòng điện. Nếu được chế tạo từ loại vật liệu linh hoạt này, các tế bào có thể hấp thụ 85% năng lượng từ ánh sáng mặt trời chiếu vào chúng; giải phóng 95% hạt photon từ các electron để tạo ra điện. Tế bào làm từ vật liệu mới này có thể chuyển đổi được nhiều hơn 15-20% năng lượng mặt trời.

Ưu điểm của silic ở số lượng vật liệu được sử dụng và giá cả của nó. Để tạo ra một tế bào chỉ cần 1% số nguyên liệu cần thiết là đủ. Hơn nữa, phần lớn số nguyên liệu này là polyme – loại vật liệu rất rẻ và phổ biến trên thị trường.

Vật liệu mới gồm các vi sợi silic và các hạt nano hoạt tính nhúng trong một tấm polyme trong suốt. Vật liệu này được tổng hợp bằng cách tạo thành một tổng thể vi sợi từ khí gas trên một khuôn tái sử dụng. Các đặc tính của loại khuôn này quyết định mật độ và đường kính của vi sợi. Tổng thể vi sợi này tạo thành một cái bẫy thu ánh sáng, được tạo nên từ silic. Sau đó có thể áp dụng những kỹ thuật đã có trước đây vào quá trình tổng hợp thay vì kỹ thuật mới để phù hợp với nền sản xuất công nghiệp truyền thống, đồng thời thúc đẩy quá trình sản xuất.

Có thể nói, vật liệu mới là một tiềm năng hứa hẹn cho công nghệ sản xuất pin năng lượng mặt trời giá rẻ.  Với loại pin này sẽ tiết kiệm được nguyên vật liệu, thời gian sản xuất và giảm được trọng lượng của pin.  Vởi loại pin mặt trời dựa trên hệ vật liệu Cu, In, Ga, Se (CIGS) là pin mặt trời có công nghệ sản xuất cao nhất trong các công nghệ chế tạo màng mỏng. Lớp hấp thụ CIGS có công thức chung là CuIn1-xGaxSe2. Phương pháp thông dụng để tổng hợp màng CIGS là lắng đọng chân không. Đầu tiên, người ta phủ molypden lên tấm đế bằng kỹ thuật phún xạ, tạo ra đầu tiếp xúc dưới. Tiếp theo lắng đọng hơi lớp hấp thụ CIGS. Sau đó, tạo lớp cadimi sunfua bằng phương pháp lắng đọng bể hóa học, hình thành một chuyển tiếp (heterojunction) với lớp hấp thụ CIGS. Cuối cùng phún xạ kẽm oxit và indi thiếc oxit lên trên để tạo cửa sổ trong suốt và đầu nối ra của pin. Với phương pháp này đã chế tạo được pin mặt trời có hiệu suất lên đến 19.9%.

Pin màng mỏng CIGS có hai thuận lợi chính khi đưa vào ứng dụng. Chúng cho năng lượng lên đến 919W/kg, cao hơn bất kỳ loại pin mặt trời nào cùng khối lượng. Các pin màng mỏng CIGS hơn hẳn các pin GaSe về độ cứng bức xạ. Hơn thế, khả năng đàn hồi của chúng giúp cho việc lưu trữ dưới nhiều hình thức mới và có nhiều lựa chọn trong ứng dụng hơn. Dưới đây là bảng phân tích điểm mạnh, điểm yếu, cơ hội phát triển của pin mặt trời dựa trên vật liệu CIGS.

Điểm mạnh
- CIS (x=0) cho hiệu suất cao lên đến18,8 % trên 1,1 cm2, hiệu suất cao có thể giữ được trên cả diện tích lớn.
- Các module CIS được đưa vào thị trường với hiệu suất tương đối cao (>9%)
- Quy trình xử lý CISCuT diễn ra nhanh, ở áp suất thường, sản xuất dây chuyền được.

Điểm yếu
- Nguồn indi bị hạn chế, có thể sẽ làm tăng giá chi phí sản xuất mặc dù hiện nay indi chỉ chiếm 2,5% chi phí sản xuất.
Mỗi loại pin mặt trời vơi snguyeen liệu riêng đều có công năng riêng phù hợp với nó , nhưng tất cả đều phục vụ mục đích làm cho trái đất ta sạch hơn và tiết kiệm nhiên liệu đang ngày càng cạn kiệt.