CHLB ĐỨC – Viện Fraunhofer về Hệ thống Năng lượng Mặt trời (ISE) ở Freiburg, CHLB Đức đã tiếp tục tối ưu hóa hiệu suất của các tế bào quang điện sử dụng công nghệ Heterojunction và đạt được những bước đột phá đáng chú ý.

*Công nghệ Heterojunction kết hợp silic tinh thể chất lượng cao với những hợp chất từ ​​màng mỏng silic vô định hình, để sản xuất tế bào lai có công suất cao, vượt qua hiệu suất của công nghệ hiện hữu.

Ngoài năng lượng gió, quang điện hiện là trụ cột thứ hai trong việc sản xuất điện từ năng lượng tái tạo. Đặc biệt, các tấm pin năng lượng mặt trời sử dụng tế bào quang điện với công nghệ Heterojunction, là sự kết hợp của quang điện tinh thể với công nghệ màng mỏng*, giúp đạt được hiệu quả cao trong sản xuất điện năng, đồng thời tiêu thụ ít silicon hơn – điều đó cũng có nghĩa là các mô-đun này có lượng CO2 tương đối thấp. Theo đó, có nhiều triển vọng tốt rằng công nghệ này sẽ trở thành tiêu chuẩn trong sản xuất. Nhìn chung, có thể thấy rằng tầm quan trọng của quang điện sẽ tăng lên, và sẽ được thúc đẩy mạnh mẽ bởi sự thiếu hụt nhiên liệu hóa thạch do hậu quả từ cuộc chiến ở Ukraine. Nhưng thực tế ngay cả trước thời điểm đó, sản lượng điện toàn cầu từ các hệ thống quang điện đã tăng từ khoảng 96 terrawatt/ giờ vào năm 2012 lên tương đương 831 terrawatt vào năm 2020, theo Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA). Theo Cơ quan Môi trường Liên bang, sản lượng điện từ quang điện ở Đức đã tăng từ khoảng 27 terrawatt/ giờ lên đến tương đương 50 terrawatt/ giờ trong cùng giai đoạn 2012-2020.

*Dựa trên công nghệ sản xuất, tấm pin năng lượng mặt trời từ quang điện tinh thể silicon và công nghệ màng mỏng là hai loại tấm pin mặt trời phổ biến trên thị trường hiện nay. Nhìn chung, hiệu suất của pin mặt trời làm từ tinh thể silicon sẽ có hiệu suất cao hơn loại bằng công nghệ màng mỏng. Sự kết hợp giữa quang điện tinh thể silicon với công nghệ màng mỏng sẽ giúp tăng hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời, đồng thời giảm tiêu thụ silicon và lượng CO2.

Sức ép đối với bạc, mọi thứ đang phụ thuộc vào bạc

Nhưng những con số này cũng cho thấy tiềm năng quang điện còn lâu mới cạn kiệt. Nhưng mà ở những nơi chúng ta kỳ vọng thì cũng có thể có những vấn đề. Ví dụ, việc sản xuất pin mặt trời hiện đang tiêu tốn rất nhiều kim loại bạc cho việc sản xuất dây dẫn và tiếp điểm. Và cùng với rất nhiều nguyên liệu thô, giá kim loại quý cũng đã tăng mạnh trong thời gian gần đây. Ngày nay, bạc đã chiếm khoảng 10% chi phí sản xuất tế bào quang điện. Ngoài ra, bạc, giống như tất cả các kim loại quý, chỉ được cung cấp với số lượng hạn chế. Ngành công nghiệp năng lượng mặt trời đã tiêu thụ 15% lượng bạc được khai thác. Vì các ngành công nghiệp khác như điện cơ hoặc mạng di động cũng đang công bố mức tiêu thụ bạc cao hơn trong tương lai, tăng trưởng sản xuất dự kiến ​​trong lĩnh vực quang điện có thể dẫn đến hiệu ứng tắc nghẽn đối với bạc. Hay nói một cách khác: nếu không có những đổi mới công nghệ sâu rộng, ngành năng lượng mặt trời sẽ khó có thể thực hiện được những kỳ vọng đã đặt ra.

Và nếu chúng ta sử dụng đồng để thay thế thì sao?

Các nhà nghiên cứu tại Viện Fraunhofer về Hệ thống Năng lượng Mặt trời ISE ở Freiburg, CHLB Đức cũng nhận ra vấn đề này ở giai đoạn đầu và sau đó đã cống hiến hết mình để vượt qua thử thách này. Với khoảng 1400 nhân viên, Fraunhofer ISE là viện nghiên cứu năng lượng mặt trời lớn nhất ở châu Âu. Vì vậy, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện – và đã đạt được một bước đột phá. Trên thực tế là hai đột phá, nhưng còn nhiều hơn thế trong thời điểm hiện tại. Một nhóm các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Tiến sĩ Markus Glatthaar, một chuyên gia về kim loại hóa và tạo mẫu, đã phát triển một quy trình mạ điện, trong đó bạc có thể được thay thế bằng đồng, với hai ưu điểm khá rõ ràng: Đồng rẻ hơn bạc nhiều lần và lượng sẵn sàng để khai thác nhiều hơn rất nhiều. 

Và trong khi chúng ta đang nói về vấn đề thay thế …

Để ngăn không cho toàn bộ bề mặt dẫn điện của tấm pin mặt trời được phủ một lớp đồng trong quá trình mạ điện nói trên, những khu vực không được phủ trước hết phải được che bằng một chất cách điện. Và trong bối cảnh này, các nhà nghiên cứu đã đạt được một tiến bộ đáng chú ý thứ hai: Cho đến nay, các loại sơn hoặc màng phủ polymer đắt tiền đã được sử dụng để che đi tấm silicon trong bể điện phân. Tuy nhiên, việc xử lý polyme đúng cách sẽ tốn kém và cũng tạo ra nhiều chất thải. Ông Glatthaar và nhóm của ông hiện đã thành công trong việc thay thế polyme bằng nhôm. Đây là một vật liệu có thể được tái chế hoàn toàn, giống như đồng. Sự thay thế kép này – từ bạc sang đồng và từ polymer sang nhôm – cũng mang lại lợi thế kép: Việc sản xuất pin mặt trời trở nên bền vững hơn và đồng thời rẻ hơn đáng kể.

Nhưng nhôm cũng là chất dẫn điện?

Trên thực tế, một khó khăn là nhôm về cơ bản có thể dẫn điện và do đó hoàn toàn không thích hợp để làm mặt nạ. Mặt khác, nhôm có xu hướng tự hình thành một lớp oxit cách nhiệt, mặc dù chỉ dày vài nanomet. “Chúng tôi đã thành công trong việc điều chỉnh các thông số quy trình và phát triển một chất điện phân đặc biệt trong quy trình để kết quả là lớp oxit bản địa cực mỏng của nhôm có thể hoàn thành chức năng cách điện một cách đáng tin cậy. Đây là một cột mốc quan trọng cho sự thành công”, Ông Glatthaar nói.

Vòng tuần hoàn trong ngành quang điện đang dần được khép lại

Bằng cách sử dụng các vật liệu có thể tái chế là đồng và nhôm, sản xuất quang điện cũng tiến thêm một bước gần hơn với nền kinh tế tuần hoàn*. Và tình trạng sẵn có của nguyên liệu thô cũng cải thiện các tiêu chuẩn về môi trường và xã hội. Ông Glatthaar giải thích: “Vì chúng tôi có đủ kim loại đồng ở Đức, chuỗi cung ứng ngắn hơn và sự phụ thuộc vào giá cả trên thị trường nguyên liệu thô quốc tế hoặc vào các nhà cung cấp nước ngoài được giảm bớt”.

*Nền kinh tế tuần hoàn là một chu trình sản xuất khép kín, các chất thải được quay trở lại, trở thành nguyên liệu cho sản xuất, từ đó giảm mọi tác động tiêu cực đến môi trường, hệ sinh thái và sức khỏe con người.

Công ty khởi nghiệp PV2 + của viện nghiên cứu Fraunhofer ISE để đưa công nghệ năng lượng mặt trời tối ưu ra thị trường

Thật không may, đôi khi cần có thời gian để những đột phá trong nghiên cứu có thể sản xuất hàng loạt. Để có thể giới thiệu công nghệ đầy hứa hẹn trên thị trường một cách nhanh chóng hơn, Fraunhofer ISE đã tích cực hoạt động và thành lập công ty spin-off* với tên gọi PV2 +. Công ty trẻ, do nhà nghiên cứu từ viện Fraunhofer, Tiến sĩ Markus Glatthaar đứng đầu, có kế hoạch thiết lập sản xuất thử nghiệm ở Freiburg, CHLB Đức cùng với các đối tác công nghiệp sớm nhất là vào đầu năm 2023. GS-TS Andreas Bett, Giám đốc Viện Fraunhofer ISE, giải thích: “Tế bào quang điện mặt trời tiên tiến là một khối xây dựng quan trọng cho việc cung cấp năng lượng trong tương lai từ năng lượng tái tạo và sẽ mang lại cho ngành công nghiệp quang điện một sự thúc đẩy cần thiết. Công ty PV2+ đã được tạo cơ hội tốt nhất để thành lập một cách nhanh chóng và thành công trên thị trường. Tất cả chúng tôi tất nhiên là hơn cả sự hài lòng, khi những công nghệ này được tạo ra tại viện của chúng tôi. Dự án đã nhận được sự hỗ trợ thêm từ Bộ Kinh tế và Bảo vệ Khí hậu Liên bang (BMWK) như một phần của chương trình khởi nghiệp hiện hữu.”

*Công ty spin-off là một loại mô hình công ty khởi nghiệp được lập thành do chính nhà khoa học đồng sở hữu với cơ quan nghiên cứu để có thể triển khai các kết quả nghiên cứu, sản xuất và thương mại hóa các công nghệ mà họ nghiên cứu ra.

Để xem các tin bài khác về “Quang điện”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Hannover Messe