Vật liệu mới có thể làm cho tấm pin mặt trời rẻ hơn và tốt hơn bao giờ hết

Chuyển đổi khỏi nhiên liệu hóa thạch.
Vật liệu mới có thể làm cho tấm pin mặt trời rẻ hơn và tốt hơn bao giờ hết
Cận cảnh các tấm pin mặt trời trong hoàng hôn. Nguồn: JONGHO SHIN

Chi phí biến ánh sáng mặt trời thành điện đã giảm hơn 90% trong thập kỷ qua. Năng lượng mặt trời hiện là hình thức sản xuất rẻ nhất.

Tuy nhiên. Hiện tại, năng lượng mặt trời hoạt động tốt với giá cả cạnh tranh và có thể giúp chúng ta cắt giảm đáng kể lượng khí thải. Nhưng với ít hơn năm phần trăm lượng điện trên thế giới được cung cấp bằng năng lượng mặt trời, chúng ta mới chỉ ở bước đầu.

Các tấm pin mặt trời của năm 2022 giống như những chiếc điện thoại di động cỡ lớn của những năm 1990. Nhiều hơn thế nữa là có thể với cùng một công nghệ cơ bản.

Australia có khả năng đóng một vai trò quan trọng trong tiến bộ toàn cầu. Trong nhiều thập kỷ, chúng tôi đã đi đầu trong việc phát triển và triển khai công nghệ năng lượng mặt trời. Chúng tôi đã giữ kỷ lục về hiệu suất của pin mặt trời silicon trong 30, 40 năm qua. Hiện chúng tôi đã triển khai nhiều năng lượng mặt trời trên đầu người hơn bất kỳ quốc gia OECD nào khác, đáp ứng gần 15% nhu cầu điện của chúng tôi. Hơn 80% các tấm pin mặt trời mới trên thế giới dựa vào pin PERC, một công nghệ được phát triển ở Úc.

Vậy điều gì tiếp theo cho năng lượng mặt trời? Hàng trăm nhà nghiên cứu trên khắp nước Úc đang tập trung vào hai mục tiêu: cắt giảm chi phí hơn nữa và tạo ra nhiều điện nhất có thể từ ánh sáng mặt trời chiếu vào.

Tại sao năng lượng mặt trời cần cải thiện?
Năng lượng mặt trời có tiềm năng thay đổi các ngành công nghiệp, giao thông vận tải và cách chúng ta sống, nếu chúng ta thúc đẩy công nghệ đi xa nhất có thể.

Điện siêu rẻ mở ra những khả năng to lớn, từ việc biến nước thành hydro xanh để phục vụ cho mục đích lưu trữ năng lượng hoặc sử dụng trong các quy trình công nghiệp đến vận tải điện, hệ thống năng lượng và mọi thứ khác mà chúng ta sử dụng nhiên liệu hóa thạch.

Năm ngoái, cơ quan năng lượng tái tạo của Úc đã đưa ra tầm nhìn của mình về năng lượng mặt trời chi phí cực thấp. Mục tiêu là tham vọng nhưng có thể đạt được.

Đến năm 2030, cơ quan này muốn các tế bào năng lượng mặt trời thương mại đạt hiệu suất 30%, tăng từ 22% hiện nay. Họ muốn chi phí toàn hệ thống quy mô lớn (bảng điều khiển, bộ biến tần và bộ truyền động) giảm 50% xuống còn 30 xu cho mỗi watt.

Nó sẽ cần nghiên cứu chuyên sâu. Hơn 250 nhà nghiên cứu Úc đang làm việc hướng tới những mục tiêu này tại Trung tâm quang điện cao cấp của Úc, một sự hợp tác giữa sáu trường đại học và CSIRO.

Silicon thực sự có thể tiếp tục không?
Pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng mà không cần bộ phận chuyển động. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào silicon, vật liệu thường được sử dụng trong pin mặt trời, năng lượng của nó giải phóng một điện tử có thể di chuyển trong vật liệu, giống như các điện tử di chuyển trong dây dẫn hoặc pin.

Các tấm pin mặt trời trên mái nhà của bạn có thể bắt đầu như cát sa mạc, tan chảy thành silica, tinh chế thành silicon và được tinh chế lại để tạo thành polysilicon tinh khiết 99,999%. Trong nhiều thập kỷ, vật liệu linh hoạt này là trung tâm của sự thành công của năng lượng mặt trời. Quan trọng là, nó có thể mở rộng từ kích thước đầu đinh nhọn đến các mảng có diện tích hàng km vuông.

ADDAFFI

Nhưng để tận dụng tối đa tuyệt đối ánh sáng mặt trời chiếu vào các tấm này, chúng ta cần phải vượt xa silicon. Chúng ta không thể đạt được hiệu suất 30% chỉ với silicon.

Tế bào song song, một chiếc bánh sandwich năng lượng mặt trời. Bởi vì silicon chỉ có thể hấp thụ tối đa 34% ánh sáng nhìn thấy, các nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc thêm các lớp vật liệu khác để thu được các bước sóng ánh sáng khác nhau.

Perovskites là một trong những lựa chọn. Họ vật liệu này có thể được in hoặc tráng từ nguồn chất lỏng, làm cho chúng rẻ để xử lý. Khi chúng tôi xếp vật liệu này trên đỉnh silicon, chúng tôi thấy một bước nhảy lớn trong hiệu suất pin mặt trời.

Mặc dù đầy hứa hẹn, nhưng vẫn còn những vấn đề cần giải quyết, cụ thể là, đảm bảo perovskites có thể tồn tại hơn 20 năm nữa mà chúng ta mong đợi từ các tấm silicon.

Các nhà nghiên cứu cũng đang xem xét các vật liệu khác, chẳng hạn như polyme và chalcogenides, một nhóm các khoáng chất phổ biến bao gồm sulfua đã cho thấy nhiều hứa hẹn trong các pin mặt trời mỏng, linh hoạt.

Bất kỳ vật liệu mới nào không chỉ phải hoạt động tốt trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành các electron mà còn phải có nhiều trong vỏ trái đất, có giá thành rẻ và đủ ổn định để đảm bảo tuổi thọ lâu dài. Ví dụ, chalcogenides được làm từ các nguyên tố phổ biến như đồng, thiếc, kẽm và lưu huỳnh.

Nếu chúng ta có thể đạt được hiệu suất 30%, nó sẽ trả cổ tức rất lớn. Chi phí thành lập một trang trại năng lượng mặt trời lớn sẽ được cắt giảm. Với pin mặt trời hiệu quả hơn, bạn cần ít tấm pin hơn và ít đất hơn để có cùng sản lượng điện.

Nó cũng sẽ làm cho nhiên liệu hóa thạch trở nên kém cạnh tranh hơn. Năng lượng đốt bằng than và động cơ ô tô có hiệu suất khoảng 33–35%, có nghĩa là hầu hết năng lượng có trong nhiên liệu hóa thạch thực sự bị mất đi dưới dạng nhiệt và tiếng ồn. Bạn cũng phải trả tiền để liên tục cung cấp nhiên liệu. Năng lượng mặt trời và gió không mất phí khi bạn đã thành lập nhà máy.

Làm thế nào chúng ta có thể cắt giảm chi phí hơn nữa?
Hiện tại, chi phí năng lượng mặt trời mới ở Úc là 50 đô la Úc cho mỗi megawatt giờ. (Than đen khoảng $100/Mwh). Đó là theo đánh giá từ năm 2021–2022 của CSIRO về chi phí năng lượng.

Đến năm 2030, cơ quan năng lượng tái tạo của chúng tôi muốn giảm mức đó xuống chỉ còn $15/Mwh, hoặc 1,5 cent cho mỗi kilowatt giờ. Năng lượng mặt trời với chi phí này, cùng với khả năng lưu trữ sẽ cung cấp nguồn điện đáng tin cậy, chi phí thấp suốt 24/7.

Chi phí sẽ giảm xuống khi chúng tôi tăng hiệu suất của pin mặt trời, khi các mô-đun hoạt động lâu hơn và khi chúng tôi nghĩ ra những cách hiệu quả hơn về chi phí để sản xuất và triển khai các công nghệ năng lượng mặt trời.

Điện mặt trời với chi phí cực thấp sẽ mang tính biến đổi, cho phép Australia xây dựng các khả năng mới trong các ngành công nghiệp hiện tại và mới nổi, chẳng hạn như biến hydro và amoniac thành nguồn nhiên liệu, chế biến xanh thép và nhôm và thậm chí là chế biến chính silicon, vì vậy chúng tôi có thể chế tạo nhiều tấm pin mặt trời hơn.

ADDAFFI

Ngay cả với công nghệ ngày nay, nhu cầu về năng lượng mặt trời dự kiến ​​sẽ tăng gấp đôi và gấp đôi một lần nữa trong mười năm tới. Điều đó có nghĩa là cũng sẽ cần phải tìm ra cách ngành công nghiệp năng lượng mặt trời có thể phát triển bền vững và làm thế nào để tái chế các tấm pin mặt trời khi các tấm pin mặt trời ban đầu hết thời gian sử dụng và cần phải đổi mới.

Sự đổi mới của Úc đã khởi đầu cho sự bùng nổ năng lượng mặt trời. Khi biến đổi khí hậu gia tăng và nhu cầu về năng lượng sạch, được sản xuất tại địa phương ngày càng tăng, đất nước ngập tràn ánh nắng mặt trời một lần nữa có thể giúp đẩy nhanh quá trình chuyển đổi của thế giới khỏi nhiên liệu hóa thạch.

Nhựt Thanh
Theo Interesting engineering
CÙNG CHUYÊN MỤC
ĐỌC THÊM