Hiệu quả sử dụng pin mặt trời: hai lớp tốt hơn một lớp

36

Pin mặt trời đã đi được một chặng đường dài, nhưng pin mặt trời màng mỏng rẻ tiền vẫn kém xa so với pin mặt trời tinh thể đắt tiền hơn về hiệu suất. Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu đề xuất rằng sử dụng hai màng mỏng bằng các vật liệu khác nhau có thể là cách để tạo ra các tế bào màng mỏng, giá cả phải chăng với hiệu suất khoảng 34%.

Akhlesh Lakhtakia, Giáo sư Đại học Evan Pugh và Giáo sư Cơ học và Khoa học Kỹ thuật Charles Godfrey Binder, cho biết: “Mười năm trước, tôi biết rất ít về pin mặt trời, nhưng tôi thấy rõ rằng chúng rất quan trọng”.

Điều tra thực địa, ông nhận thấy rằng các nhà nghiên cứu đã tiếp cận pin mặt trời từ hai phía, phía quang học – xem xét cách ánh sáng mặt trời được thu thập – và phía điện – xem cách ánh sáng mặt trời thu thập được chuyển đổi thành điện năng. Các nhà nghiên cứu quang học cố gắng tối ưu hóa khả năng thu nhận ánh sáng, trong khi các nhà nghiên cứu điện cố gắng tối ưu hóa chuyển đổi thành điện năng, cả hai bên đều tìm cách đơn giản hóa bên kia.

Pin năng lượng mặt trời Ảnh: Internet

Lakhtakia nói: “Tôi quyết định tạo ra một mô hình trong đó cả khía cạnh điện và quang học sẽ được đối xử bình đẳng. Chúng tôi cần phải tăng hiệu quả thực tế, bởi vì nếu hiệu suất của một tế bào thấp hơn 30%, nó sẽ không tạo ra sự khác biệt.” Các nhà nghiên cứu báo cáo kết quả của họ trong số báo mới đây của tờ “Các bức thư vật lý ứng dụng”.

Lakhtakia là một nhà lý thuyết. Anh ấy không tạo màng mỏng trong phòng thí nghiệm, mà tạo ra các mô hình toán học để kiểm tra khả năng của cấu hình và vật liệu để những người khác có thể kiểm tra kết quả. Ông nói, vấn đề là cấu trúc toán học của việc tối ưu hóa quang và điện rất khác nhau.

Ông giải thích, pin mặt trời dường như là một thiết bị đơn giản. Lớp trên cùng trong suốt cho phép ánh sáng mặt trời chiếu vào lớp chuyển đổi năng lượng. Vật liệu được chọn để chuyển đổi năng lượng, hấp thụ ánh sáng và tạo ra các dòng electron mang điện tích âm và các lỗ trống mang điện tích dương chuyển động ngược chiều nhau. Các hạt mang điện khác nhau sẽ được chuyển đến lớp tiếp xúc trên cùng và lớp tiếp xúc dưới cùng giúp chuyển dòng điện ra khỏi tế bào để sử dụng. Lượng năng lượng mà tế bào có thể tạo ra phụ thuộc vào lượng ánh sáng mặt trời thu được và khả năng của lớp chuyển đổi. Các vật liệu khác nhau phản ứng và chuyển đổi các bước sóng ánh sáng khác nhau.

Lakhtakia cho biết: “Tôi nhận ra rằng để tăng hiệu quả, chúng tôi phải hấp thụ nhiều ánh sáng hơn. Để làm được điều đó, chúng tôi phải làm cho lớp hấp thụ không đồng nhất theo một cách đặc biệt.”

Cách đặc biệt đó là sử dụng hai vật liệu thấm hút khác nhau trong hai màng mỏng khác nhau. Các nhà nghiên cứu đã chọn CIGS có sẵn trên thị trường – đồng indium gallium diselenide – và CZTSSe – đồng kẽm thiếc selenua – cho các lớp. Bản thân hiệu suất của CIGS là khoảng 20% ​​và của CZTSSe là khoảng 11%.

Hai vật liệu này hoạt động trong pin mặt trời vì cấu trúc của cả hai vật liệu đều giống nhau. Chúng có cấu trúc mạng gần như giống nhau, vì vậy chúng có thể được trồng chồng lên nhau và chúng hấp thụ các tần số khác nhau của quang phổ, do đó chúng sẽ tăng hiệu quả, theo Lakhtakia.

“Điều đó thật tuyệt vời,” Lakhtakia nói. “Họ cùng nhau sản xuất pin mặt trời với hiệu suất 34%. Điều này tạo ra một kiến ​​trúc pin mặt trời mới – từng lớp từng lớp. Những người khác thực sự có thể tạo ra pin mặt trời có thể tìm thấy các công thức lớp khác và có lẽ làm tốt hơn.”

Theo các nhà nghiên cứu, bước tiếp theo là tạo ra những thử nghiệm này và xem các tùy chọn là gì để có được câu trả lời cuối cùng, tốt nhất.

Tuấn Nguyễn (theo Penn State)