Trong bối cảnh tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo bền vững, năng lượng mặt trời đã trở thành một lựa chọn ưu việt. Với diện tích gần 10.000 km² các tấm pin mặt trời, Trái đất hiện nay sản xuất khoảng 1.600 terawatt giờ điện mỗi năm từ ánh sáng mặt trời, chiếm 6% tổng lượng điện toàn cầu. Để nâng cao hiệu suất chuyển đổi và giảm chi phí, công nghệ pin năng lượng mặt trời không ngừng được cải tiến, trong đó các tế bào pin từ vật liệu perovskite đang nổi lên như một giải pháp có khả năng thay thế pin silicon truyền thống, với tiềm năng vượt trội về hiệu suất.

Công nghệ pin mặt trời dựa trên silicon đã đạt hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành điện lên đến 24%, cao hơn rất nhiều so với các tế bào silicon đầu tiên. Tuy nhiên, pin silicon vẫn có giới hạn hiệu suất lý thuyết tối đa khoảng 29%, do phần lớn năng lượng mặt trời bị mất đi dưới dạng nhiệt. Khi các tế bào silicon được lắp ráp thành tấm pin, hiệu suất thực tế giảm thêm do các yếu tố kỹ thuật và cấu trúc. Trong bối cảnh đó, vật liệu perovskite mang lại một giải pháp đầy hứa hẹn để vượt qua giới hạn này, với khả năng đạt tới 30% hiệu suất thực tế và thậm chí cao hơn trong tương lai.

Perovskite: vật liệu triển vọng cho pin mặt trời

Perovskite là tên của một cấu trúc tinh thể đặc biệt, được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1839, và hiện nay nó trở thành tên gọi chung cho các hợp chất có cấu trúc tương tự. Sức hấp dẫn của perovskite nằm ở khả năng hấp thụ ánh sáng cực kỳ hiệu quả và dễ dàng sản xuất từ các nguyên liệu sẵn có như kim loại và halogen. Các tế bào perovskite không chỉ có hiệu suất cao mà còn có tiềm năng sản xuất đơn giản hơn, dễ dàng tạo thành các lớp màng mỏng phủ trên bề mặt silicon để tăng cường hấp thụ năng lượng.

Thách thức của vật liệu perovskite

Tuy nhiên, các tế bào perovskite hiện tại dễ bị xuống cấp và nhạy cảm với độ ẩm, dẫn đến tuổi thọ thấp khi phải hoạt động trong điều kiện thực tế. Các nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc phát triển các quy trình bảo vệ tế bào perovskite khỏi môi trường bên ngoài, trong đó bao gồm phủ lớp chống ẩm và tăng cường độ bền của vật liệu. Một số công ty như Oxford PV đã thành công trong việc kết hợp lớp perovskite mỏng lên các tế bào silicon, tạo ra cấu trúc pin song song nhằm tối ưu hóa hiệu suất, giúp perovskite hấp thụ ánh sáng xanh trong khi silicon hấp thụ ánh sáng đỏ, từ đó tối ưu hóa năng lượng thu được từ mặt trời.

Các công ty tiên phong trong công nghệ perovskite

Oxford PV, công ty khởi nguồn từ Đại học Oxford, là một trong những đơn vị tiên phong trong lĩnh vực này. Công ty đã xây dựng nhà máy sản xuất pin perovskite tại Đức và cung cấp sản phẩm cho một số công ty năng lượng lớn tại Mỹ, giúp kiểm tra hiệu quả và độ bền của các tấm pin mặt trời sử dụng công nghệ này. Các tấm pin đầu tiên của Oxford PV đạt hiệu suất trung bình 24,5% và đang phát triển lên đến 26,9%, với triển vọng vượt ngưỡng 30%.

Bên cạnh đó, các công ty Hàn Quốc như Hanwha đã đầu tư hàng triệu USD vào việc phát triển pin mặt trời perovskite-silicon. Hanwha đã đạt hiệu suất tối đa 29,3% trong phòng thí nghiệm và đang trong quá trình chuẩn bị sản xuất hàng loạt. Các công ty Trung Quốc cũng không đứng ngoài cuộc đua, với Longi Green Energy đạt kỷ lục thế giới về hiệu suất pin perovskite trong phòng thí nghiệm lên tới 34,6% và dự kiến sản xuất quy mô lớn trong thời gian sớm nhất.

Tương lai của pin perovskite trong ngành năng lượng mặt trời

Với tiềm năng hiệu suất vượt trội, perovskite có thể đóng vai trò chủ chốt trong việc thay thế dần pin silicon, mở ra một giai đoạn mới cho ngành năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, tuổi thọ và độ ổn định của các tế bào perovskite cần được chứng minh thêm trước khi có thể thương mại hóa rộng rãi. Trong bối cảnh các công ty năng lượng mặt trời đang dần áp dụng mô hình pin mặt trời song song, sự kết hợp giữa perovskite và silicon sẽ là bước đầu quan trọng để đảm bảo quá trình chuyển đổi diễn ra an toàn và hiệu quả.

Mặc dù có nhiều lựa chọn vật liệu mới khác như gallium arsenide, chi phí sản xuất cao và ứng dụng hạn chế trong lĩnh vực chuyên biệt như hàng không vũ trụ làm cho các lựa chọn này không khả thi cho sản xuất đại trà. Trong khi đó, perovskite đang dần trở thành lựa chọn ưu việt với khả năng nâng cao hiệu suất và giảm chi phí cho năng lượng mặt trời trong tương lai gần.

Công nghệ pin năng lượng mặt trời dựa trên perovskite đang mở ra một cuộc cách mạng trong ngành năng lượng tái tạo, với khả năng vượt xa hiệu suất của silicon truyền thống. Mặc dù còn một số thách thức trong việc ổn định và kéo dài tuổi thọ, perovskite hứa hẹn sẽ là giải pháp hàng đầu cho các hệ thống năng lượng mặt trời hiệu suất cao. Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng tăng cao, việc áp dụng các công nghệ tiên tiến này không chỉ đáp ứng nhu cầu năng lượng mà còn đóng góp vào mục tiêu phát triển bền vững, hướng đến một tương lai xanh sạch cho toàn cầu.

P.A.T (NASATI), theo Reuters, 11/2024