Tương lai hứa hẹn cho năng lượng mặt trời với những bước tiến vượt bậc

Khi thế giới đang nỗ lực giảm phát thải carbon bằng cách triển khai nhiều công suất năng lượng tái tạo hơn, bao gồm năng lượng mặt trời, những đột phá về công nghệ trong thiết bị năng lượng xanh đang giúp các chính phủ đạt được mục tiêu của mình.

Công nghệ tấm pin năng lượng mặt trời đã có những bước tiến vượt bậc trong thập kỷ qua, và các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đang chạy đua để tiếp tục cải tiến công nghệ nhằm hỗ trợ quá trình chuyển đổi xanh toàn cầu.

Một số công nghệ năng lượng mặt trời mới có thể giúp tăng đáng kể hiệu suất của các tấm pin này, giúp sản xuất nhiều điện năng hơn trong khi sử dụng ít không gian hơn.

Vật liệu độc đáo

Công nghệ năng lượng mặt trời đã có nhiều tiến bộ kể từ khi nhà phát minh Charles Fritts ở New York tạo ra tấm pin năng lượng mặt trời đầu tiên vào năm 1883. Nhưng phát minh của ông không hiệu quả lắm – nó chỉ có khả năng biến một lượng nhỏ ánh nắng mặt trời mà nó hấp thụ thành điện, khoảng 1-2%.

Các tế bào quang năng ngày nay – thường là silicon – có thể chuyển đổi trung bình khoảng 22% ánh nắng mặt trời mà chúng hấp thụ thành điện.

Khi công nghệ pin năng lượng mặt trời được cải thiện, các nhà khoa học có thể giảm kích thước của tấm pin trong khi hiệu quả lại cao hơn, giúp giảm diện tích cần thiết để sản xuất một lượng lớn điện sạch.

Các nhà nghiên cứu đã có những đột phá gần đây về perovskite, một cấu trúc tinh thể độc đáo có thể tăng hiệu suất của các tấm pin năng lượng mặt trời trong tương lai.

Perovskite có khả năng phản ứng với các màu khác nhau trong quang phổ mặt trời và khi kết hợp với một vật liệu khác, chẳng hạn như silicon, chúng sẽ thúc đẩy sản xuất điện.

Một số phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đang đánh giá tiềm năng của perovskite, với nhiều cách tiếp cận khác nhau.

Hiện tại, các ô perovskite do các nhà nghiên cứu sản xuất rất nhỏ, khoảng 1cm2. Do đó, nhiệm vụ hiện tại là mở rộng quy mô công nghệ.

Perovskite có thể được ứng dụng theo nhiều cách khác nhau. Ví dụ, nó có thể được biến thành mực để in trên bề mặt vật thể hoặc thành sợi để khâu vào vải hoặc vật liệu xây dựng. Nó mỏng và linh hoạt, giúp dễ dàng tích hợp vào các vật dụng hàng ngày để giúp tăng hiệu quả.

Một công nghệ quan trọng khác cho ngành năng lượng mặt trời là trí tuệ nhân tạo (AI). Các nhà nghiên cứu ngày càng sử dụng công nghệ AI để cải thiện hiệu quả của các trang trại quang năng.

Ví dụ, việc kết hợp các thuật toán AI vào một trang trại quang năng có thể giúp các nhà nghiên cứu biết được cách đặt các tấm pin năng lượng mặt trời trong suốt cả ngày để giúp chúng hấp thụ nhiều ánh sáng mặt trời nhất.

Các nhà khoa học cũng đang khám phá tiềm năng của một số công nghệ khác, chẳng hạn như công nghệ năng lượng mặt trời trong suốt dưới dạng cửa sổ năng lượng mặt trời, có thể biến các tòa nhà chọc trời và các tòa nhà lớn khác thành các trung tâm phát điện khổng lồ.

Các nhà nghiên cứu từ trường Kỹ thuật Năng lượng và Hóa học tại Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan (UNIST) ở Hàn Quốc đã có bước đột phá trong công nghệ tấm pin năng lượng mặt trời trong suốt vào năm ngoái, khi họ tạo ra một tế bào silicon tinh thể trong suốt giống như thủy tinh.

Điều này đã mở ra cánh cửa cho những cải tiến hơn nữa để phát triển các tấm pin năng lượng mặt trời trong suốt và hiệu quả ở quy mô thương mại.

Hiệu suất ngày càng cao hơn

Tại Mỹ, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Georgia (GIT) đã tìm ra cách làm cho tầng giao vận lỗ HTL – thường được sử dụng trong các tế bào năng lượng mặt trời perovskite – ít bị kết tinh do nhiệt gây ra hơn.

Nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp thẩm thấu pha hơi để cấy titan oxit/hydroxit vào HTL để làm cho lớp màng có khả năng chịu nhiệt tốt hơn và do đó ổn định hơn. Theo các nhà nghiên cứu, việc ngăn ngừa kết tinh có thể giúp tăng hiệu suất lên hơn 80%.

"Chúng tôi hiện đang tìm kiếm các đối tác để cấp phép công nghệ này và để mở rộng quy trình. Ý tưởng là chúng tôi có thể mở rộng quy trình này để tích hợp vào các tấm pin, không chỉ các ô diện tích nhỏ", Phó giáo sư Juan Pablo Correa-Baena của GIT tuyên bố. Công nghệ này hiện đang được xem xét để cấp bằng sáng chế.

Tại Trung Quốc, một nhóm tại Công ty quang điện LONGi đã trình làng tấm pin năng lượng mặt trời mạnh nhất từ trước đến nay của mình, được sản xuất bằng perovskite.

Các nhà nghiên cứu đã tích hợp perovskite vào các tế bào quang điện silicon để phát triển các tế bào song song được làm cho mạnh hơn và hiệu quả hơn từ sự kết hợp của 2 vật liệu.

Thử nghiệm đã chứng minh rằng tấm pin năng lượng mặt trời thế hệ mới có mức hiệu suất cao hơn 0,7% so với thế hệ trước. Việc phát triển các loại tế bào này cũng có thể giúp giảm chi phí sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời.

Kể từ đó, các nhà phát triển tế bào quang điện khác đã thử nghiệm công nghệ này để cố gắng tạo ra các tấm pin năng lượng mặt trời hiệu quả hơn nữa.

Đầu năm nay, nhà sản xuất module năng lượng mặt trời JinkoSolar có trụ sở tại Thượng Hải-Trung Quốc đã công bố hiệu suất 33,84% cho tế bào quang điện song song perovskite-silicon của họ.

Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah của Ả Rập Xê-út (KAUST) trước đây đã trình làng một thiết bị perovskite-silicon có hiệu suất 33,7%. Tuy nhiên, kỷ lục hiện tại về hiệu suất pin năng lượng mặt trời vẫn thuộc về tấm perovskite-tandem của LONGi, với hiệu suất 34,6% được công bố vào tháng 9 năm ngoái.

Công nghệ năng lượng mặt trời đã có những bước tiến dài trong 150 năm qua, và nhờ nguồn tài trợ lớn hơn trong những năm gần đây, những cải tiến hiệu quả hiện đang được thực hiện hàng năm.

Khi các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đánh giá tiềm năng của nhiều loại vật liệu khác nhau, hiệu quả của tấm pin năng lượng mặt trời dự kiến sẽ tiếp tục được cải thiện trong những thập kỷ tới, trong khi giá sản xuất giảm.

Điều này sẽ hỗ trợ đẩy nhanh quá trình chuyển đổi xanh, vì nhiều năng lượng sạch hơn được sản xuất bằng cách sử dụng ít diện tích hơn, khiến các dự án năng lượng mặt trời hấp dẫn hơn đối với cả các chính phủ và các công ty tư nhân.