Vật liệu mới giúp giảm giá thành pin mặt trời trong tương lai

Năng lượng mặt trời trong những năm gần đây đã có những bước tiến đáng kể cả về công nghệ chế tạo lẫn hiệu quả hoạt động, khiến giá thành điện được sản xuất từ năng lượng mặt trời hiện nay chỉ đắt hơn nhiệt điện (đốt nhiên liệu hóa thạch) khoảng 1,3 lần. Tuy vậy, một loại vật liệu mới giá rẻ được khám phá gần đây có thể giúp việc giá điện từ năng lượng mặt trời rẻ hơn 3-7 lần so với giá sản xuất hiện nay và có thể dần thay thế được nhiên liệu hóa thạch.

Loại vật liệu mới đó là perovskite, một loại khoáng vật đã được tìm thấy và biết đến cách đây hơn 1 thế kỷ tại dãy Ural của Nga. Tuy nhiên đến tận năm 2009, các nhà khoa học mới phát hiện ra khả năng hấp thụ năng lượng từ ánh sáng cực tốt của loại khoáng vật này và tìm cách thương mại hóa công nghệ năng lượng mặt trời sử dụng perovskite. Tuy vậy, các nhà khoa học cũng chưa giải thích được tại saoperovskite lại có đặc tính đặc biệt đó, do vậy hiệu suất chuyển hóa năng lượng từ ánh sáng mặt trời sang điện năng chỉ đạt 3,5% vào năm 2009. Mới đây, 3 nhà khoa học tại trường Đại học Nanyang (Singapore) bằng cách sử dụng thiết bị laser tốc độ siêu nhanh đã giải thích được tính chất vật lý đặc biệt của loại khoáng vật này và tìm ra cách để nâng hiệu suất chuyển hóa năng lượng lên thành 15%, và hoàn toàn có thể đạt đến hiệu suất 20% của các thiết bị sử dụng công nghệ bản mỏng dùng silicon hiện nay. Bài báo khoa học trên được đăng trên tạp chí Science, số ngày 18 tháng 10 năm 2013.

Trong quá khứ, các nhà khoa học nghiên cứu về năng lượng mặt trời theo đuổi 2 hướng đi khác nhau về căn bản : một hướng hướng đến việc sản xuất hàng loạt những thiết bị mà giá thành sản xuất rất rẻ, nhưng hiệu suất chuyển hóa năng lượng không cao. Hướng còn lại, mà nhiều nhà khoa học đang ngả theo thời gian gần đây, là sản xuất các tấm pin mặt trời có hiệu suất cực cao, mặc dù giá thành sản xuất là tương đối đắt. Pin mặt trời bản mỏng dùng silicon hiện đang là công nghệ tốt nhất, với giá thành để tạo ra 1 watt điện (chỉ tính chi phí thiết bị) khoảng 0,75 $. Nếu chuyển sang sử dụng tấm pin mặt trời dùngperovskite, vốn là một loại khoáng vật tương đối phổ biến và giá thành cực rẻ so với silicon, giá thành để tạo ra 1 watt điện từ pin mặt trời trong tương lai chỉ khoảng 0,1-0,2$. Theo Bộ năng lượng Mỹ thì với giá 0,5$/1 watt, năng lượng mặt trời đã hoàn toàn có thể cạnh tranh với nhiên liệu hóa thạch. (Hiện tại, giá điện tại Việt Nam đang là 6-10 cent/1 số điện, gần tương đương với giá của Mỹ 8-15 cent/1 số điện).

Perovskite là 1 loại vật liệu có những đặc tính vô cùng đặc biệt. Chỉ với một lớp vật liệu perovskite có độ dày 1 micromet cũng có khả năng hấp thụ lượng năng lượng tương đương so với các tấm pin bản mỏng silicon có độ dày 180 micromet. Thêm nữa, trong khi giá thành để sản xuất ra siicon là tương đối đắt, và công nghệ chế tạo pin bản mỏng silicon là rất phức tạp, do đó các tấm pin mặt trời bản mòng dùng silicon được chế tạo hàng loạt trên thị trường thường khó đạt được đến hiệu suất lý tưởng 20%. Trong khi đó với giá thành siêu rẻ, trọng lượng nhẹ cộng với cách thức chế tạo đơn giản (có thể chỉ cần đặt tấm pin mặt trời dùng perovskite lên 1 tấm nhựa), chi phí và cả hiệu suất hoạt động của pin mặt trời dùngperovskite đều có thể được đảm bảo. Mong muốn của các nhà khoa học về một tấm pin mặt trời vừa có hiệu suất cao, giá thành vừa rẻ đang dần trở thành hiện thực.

Theo Michael Grätzel, người nổi tiếng trong ngành năng lượng với 1 loại pin mặt trời mang tên của mình, cho rằng công nghệ pin mặt trời mới sử dụng perovskite có thể biến ý tưởng chỉ có trong các truyện khoa học viễn tưởng : biến mọi bề mặt bất kỳ nào thành một tấm pin mặt trời không còn là chuyện quá xa vời. Henry Snaith, một nhà vật lý tại Đại học Oxford cũng đồng ý với ý tưởng cho rằng trong tương lai không xa, việc lắp đặt một tấm pin mặt trời cũng dễ như việc quét sơn lên một bề mặt phẳng vậy.

Mặc dù mới được sử dụng làm vật liệu trong pin mặt trời từ năm 2009, nhưng perovskite đang dành được sự quan tâm rất nhiều. Theo Snaith, từ 2009 đến 2012, chỉ có 1 bài báo khoa học được đăng về đề tài này, tuy nhiên từ hè 2012, con số này đã có sự tăng đột biến. Hiện tại, Snaith đang tiếp tục phát triển công nghệ này qua 1 startup có tên Oxford Photovoltaics, và đã gọi được 4,4 triệu $ đầu tư. Trong khi đó, Grätzel đã bắt đầu tích hợp công nghệ của mình vào các sản phẩm tiêu dùng như balo hay cover cho iPad và đang tìm cách để đưa pin mặt trời dùng perovskite vào những tấm pin mặt trời quy mô lớn dành cho sản xuất công nghiệp.

Tuy vậy, cũng giống như mọi loại công nghệ khác, pin mặt trời dùng perovskite cũng cần thời gian khoảng 1 thập kỷ để có thể hoàn thiện và được bán rộng rãi trên thị trường. Trong thời gian đó, công nghệ pin mặt trời dùng silicon cũng đã có những tiến đáng kể, giá sản xuất 1 watt điện có thể xuống đến mốc 0,25$ và làm mất lợi thế cạnh tranh về giá và động lực để các nhà đầu tư mạo hiểm đầu tư vào công nghệ mới. Thêm một vấn đề nữa pin mặt trời dùng perovskite cần phải giải quyết đó là khoáng vật này có chứa một lượng nhỏ chì, một kim loại nặng độc hại. Quy trình khai thác và chế tạo perovskite sẽ cần phải tìm cách loại bỏ và thu giữ được chì, không để nó thất thoát ra ngoài môi trường.Mặc dù chưa phải công nghệ hoàn hảo ở thời điểm hiện tại, nhưng với những ưu điểm riêng của mình như giá thành rẻ, mỏng, nhẹ, dễ sản xuất và cài đặt chỉ cần bằng cách sơn lên các bề mặt phẳng, pin mặt trời dùng perovskite sẽ tìm được chỗ đứng nhất định của mình trong ngành công nghiệp năng lượng tái tạo và hỗ trợ cho công nghệ pin mặt trời bản mỏng dùng silicon hiện tại trong một số tình huống nhất định; tạo ra một nguồn năng lượng phong phú, sạch và rẻ trong tương lai không xa.