Pin mặt trời silicon mỏng nhất thế giới, có thể uốn cong

Các tế bào (cell) pin mặt trời silicon đóng vai trò là xương sống của nguồn điện năng lượng mặt trời trên thế giới, chiếm khoảng 95% pin mặt trời trên thị trường quang điện. Khi chi phí sản xuất và phát điện giảm, loại pin này đã được sử dụng rộng rãi hơn trong các trang trại năng lượng mặt trời trên mặt đất và hệ thống điện mặt trời phân tán.

Hệ thống điện mặt trời phân tán sử dụng các tấm pin năng lượng mặt trời được lắp đặt trên mái nhà, sân vườn, hoặc các khu vực gần nơi tiêu thụ điện để chuyển đổi ánh sáng Mặt trời thành điện năng. Hệ thống này thường có công suất nhỏ hơn 1 megawatt và được kết nối với lưới điện quốc gia.

Nhật báo Khoa học và Công nghệ dẫn lời Li Yang, giáo sư tại Đại học Khoa học và Công nghệ Giang Tô (JUST), nói rằng pin mặt trời silicon tinh thể, được làm từ tấm silicon, là loại năng lượng quang điện trưởng thành nhất và phổ biến nhất “nhưng phải đối mặt với hai vấn đề công nghệ lớn”.

Một nhược điểm là hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin silicon diện tích lớn vẫn bị giới hạn ở mức 26%; trở ngại thứ hai là độ dày của cell, thường là 150 đến 180 micromet (0,15mm đến 0,18mm), gây khó khăn cho việc sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu vật liệu nhẹ và linh hoạt hơn, chẳng hạn như mái cong, vệ tinh và trạm vũ trụ.

Ví dụ, máy bay có yêu cầu về trọng lượng cực kỳ nghiêm ngặt và đã sử dụng pin mặt trời màng mỏng, một loại pin được sử sụng rộng rãi khác. Song theo Li Yang, chúng đắt tiền, tuổi thọ ngắn và không phù hợp với yêu cầu thương mại.

Pin mặt trời silicon linh hoạt do Li Yang và các cộng tác viên của ông phát triển mỏng hơn, nhẹ hơn nhiều so với các pin thông thường và có hiệu suất năng lượng cao.

"Chúng tôi đã phát triển các cell silicon tinh thể mỏng tới 50 micromet, mỏng hơn một tờ giấy A4, có thể uốn thành cuộn và hiệu quả hơn nhiều so với các cell thông thường”, ông nói.

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature, là nỗ lực chung của các nhà khoa học từ JUST, LONGi Green Energy Technology có trụ sở tại thành phố Tây An (Trung Quốc) và Đại học Curtin (Úc).

Pin mặt trời silicon tinh thể được gọi là cấu trúc “bánh sandwich”, nghĩa là lớp giữa chiếm hơn 99% độ dày của cell.

Các nhà khoa học trên khắp thế giới đã và đang sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để phát triển pin mặt trời nhẹ hơn, linh hoạt hơn, hiệu quả cao hơn và có tính khả thi về mặt thương mại.

Vào tháng 5.2023, một nhóm các nhà khoa học từ Viện Hệ thống vi mô và Công nghệ thông tin Thượng Hải, Đại học Khoa học và Công nghệ Changsa cùng bộ phận khoa học và kỹ thuật máy tính, điện và toán học tại Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah báo cáo rằng họ đã phát triển pin mặt trời silicon chỉ dày 60 micromet, có thể gấp lại như một tờ giấy. Thế nhưng, nhóm do các nhà khoa học Trung Quốc dẫn đầu còn tiến xa hơn nữa.

Tạp chí Nature cho biết: “Việc làm mỏng wafer không chỉ làm giảm trọng lượng và chi phí của pin mặt trời mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc di chuyển và phân tách điện tích”. Tuy nhiên, việc tạo ra các tấm wafer ngày càng mỏng hơn thường phải trả giá bằng hiệu quả. Pin mặt trời silicon mỏng hơn thường kém hiệu quả hơn trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng so với pin dày hơn.

Wafer đề cập đến lớp mỏng silicon được sử dụng trong cấu trúc của cell pin mặt trời.

Trong một bài viết được xuất bản trên cùng tạp chí Nature, các tác giả cho biết các cell silicon tinh thể mỏng trước đây, dày chưa đến 150 micromet, được sản xuất bằng kỹ thuật thông thường, có hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) dao động từ 23,27 đến 24,7%.

Song trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã tạo ra 5 loại cell mỏng có độ dày từ 55 đến 130 micromet, tất cả đều có PCE lớn hơn 26%. Những pin mặt trời siêu mỏng này cũng có thể uốn cong được.

Li Yang cho biết: “Dù không thể gập làm đôi nhưng nó có thể uốn cong thành bất kỳ độ cong nào”, đồng thời nói thêm rằng tính năng này sẽ mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng cho cell silicon tinh thể.

Pin mặt trời linh hoạt có nhiều khả năng ứng dụng hơn, bao gồm sử dụng trong hàng không vũ trụ, khinh khí cầu, máy bay không người lái và các thiết bị thông minh có thể đeo được.

Li Yang cho biết các nhà nghiên cứu đang nỗ lực phát triển các cell silicon tinh thể linh hoạt và hiệu quả hơn mà một ngày nào đó có thể di động như một cuộn phim.