ÚC – Các kỹ sư tại Đại học UNSW (University of New South Wales) đã vận dụng một nguyên tắc cơ bản quen thuộc của thợ làm bánh để giúp các vật liệu pin năng lượng mặt trời thế hệ mới, thân thiện với môi trường, hình thành với ít khuyết điểm vi mô hơn.

Phát hiện này giúp pin chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng hiệu quả hơn trước, đồng thời có thể cung cấp một nguyên tắc thiết kế để cải thiện nhiều loại vật liệu bán dẫn tiên tiến khác.

Bí quyết nằm ở việc hình dung quá trình này như việc nướng một chiếc bánh.

Mặc dù mọi nguyên liệu đều được cân đong và trộn đều cẩn thận, trong quá trình nướng, bơ đôi khi có thể dồn về một góc, quế tập trung nhiều hơn ở một phần bánh, còn trái cây lại chìm xuống đáy.

Vì vậy, dù các nguyên liệu đều chính xác và công thức được thực hiện đúng, chiếc bánh thành phẩm vẫn có thể không hoàn hảo.

Theo các nhà nghiên cứu tại Đại học UNSW, một hiện tượng tương tự cũng xảy ra khi chế tạo một trong những vật liệu pin năng lượng mặt trời được đánh giá là có triển vọng nhất hiện nay.

Giáo sư Scientia Xiaojing Hao, thuộc trường kỹ thuật quang điện và năng lượng tái tạo tại Đại học UNSW, chia sẻ: “Phép so sánh với việc làm bánh rất phù hợp, bởi về bản chất đó chính là những gì nhóm nghiên cứu đang thực hiện”.

Giáo sư Scientia Xiaojing Hao

Giáo sư Hao nói tiếp: “Khi làm bánh, bạn trộn các nguyên liệu khác nhau rồi đưa chúng vào lò nướng. Nhóm nghiên cứu cũng làm điều tương tự với vật liệu pin năng lượng mặt trời, chỉ khác là vật liệu được đưa vào lò nung.”

Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Energy, Giáo sư Hao và các cộng sự cho thấy yếu tố quan trọng không chỉ nằm ở thành phần nguyên liệu, mà còn ở việc duy trì sự phân bố đồng đều của chúng ngay từ những giai đoạn đầu tiên của quá trình chế tạo.

Bằng cách ngăn các thành phần này tách rời nhau, nhóm nghiên cứu đã giảm đáng kể các khuyết điểm nhỏ bên trong vật liệu, vốn là nguyên nhân hạn chế hiệu suất chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng.

Kết quả nghiên cứu đã thiết lập một nguyên tắc thiết kế mới, không chỉ có thể cải thiện công nghệ pin năng lượng mặt trời này mà còn có khả năng ảnh hưởng đến quá trình phát triển của nhiều loại vật liệu bán dẫn tiên tiến khác.

Hướng tới những vật liệu ngoài silicon
Phần lớn các tấm pin năng lượng mặt trời hiện nay được chế tạo từ silicon, một công nghệ đã đạt hiệu suất rất cao sau nhiều thập kỷ phát triển. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu trên thế giới vẫn đang tìm kiếm những phương pháp để tiếp tục nâng cao hiệu suất của pin năng lượng mặt trời.

Một trong những hướng tiếp cận triển vọng nhất là pin năng lượng mặt trời tandem, loại pin kết hợp hai vật liệu bán dẫn khác nhau để mỗi vật liệu hấp thụ các vùng khác nhau của quang phổ mặt trời.

Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Hao, trong đó có Tiến sĩ Ao Wang và Tiến sĩ Kaiwen Sun, đang nghiên cứu một vật liệu có tên CZTS (*), được tạo thành từ đồng, kẽm, thiếc và lưu huỳnh.
(*) CZTS là một loại vật liệu bán dẫn hợp chất, được nghiên cứu chủ yếu làm lớp hấp thụ ánh sáng trong pin mặt trời màng mỏng. Vật liệu này được quan tâm nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng tốt và việc sử dụng các nguyên tố tương đối phổ biến, qua đó mở ra tiềm năng phát triển pin mặt trời với chi phí vật liệu thấp hơn và giảm phụ thuộc vào một số nguyên tố khan hiếm.

Khác với một số vật liệu bán dẫn cạnh tranh khác, các thành phần của CZTS khá dồi dào trong tự nhiên và tương đối thân thiện với môi trường, khiến vật liệu này trở thành một ứng viên hấp dẫn cho các thế hệ pin năng lượng mặt trời tandem trong tương lai.

Thách thức nằm ở chỗ, dù có nhiều tiềm năng, vật liệu CZTS vẫn rất khó đạt được mức hiệu suất cần thiết để có thể thương mại hóa.

Nguyên nhân chính là các khuyết điểm nhỏ hình thành trong quá trình chế tạo vật liệu.

Giáo sư Hao cho biết nhiều nhà nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào việc bảo đảm tỷ lệ chính xác của các thành phần ban đầu.

Giáo sư Hao nói rằng: “Nhiều người cho rằng chỉ cần có đúng lượng nguyên liệu để làm bánh thì mọi thứ sẽ ổn. Nhưng đôi khi thực tế không phải như vậy. Cần duy trì sự phân bố đồng đều của các nguyên liệu ngay từ đầu và trong suốt quá trình chế biến.”

Giáo sư Hao nói tiếp: “Quá trình diễn ra như thế nào cũng quan trọng không kém kết quả cuối cùng. Đây là nguyên tắc thiết kế chính mà nhóm áp dụng trong nghiên cứu này để xác định nguyên nhân khiến vật liệu CZTS xuất hiện các khuyết điểm.”

Pin năng lượng mặt trời CZTS cải tiến do Đại học UNSW phát triển được chế tạo hoàn toàn từ các vật liệu thân thiện với môi trường

Thay vì chỉ tập trung vào việc liệu thành phần của vật liệu pin năng lượng mặt trời có sai lệch và cần điều chỉnh hay không, nhóm nghiên cứu đã khảo sát những gì xảy ra trong những giai đoạn đầu tiên của quá trình chế tạo ở nhiệt độ cao.

Họ phát hiện một nguyên tố đặc biệt là đồng có xu hướng dịch chuyển khỏi vị trí cần thiết. Sự thay đổi tưởng chừng rất nhỏ này lại kích hoạt quá trình hình thành các pha tạp không mong muốn và những khuyết điểm cấu trúc cực nhỏ, khiến vật liệu không thể đạt hiệu suất tối ưu.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học UNSW sau đó phát hiện rằng việc tăng cường liên kết đồng và lưu huỳnh trong phản ứng nhiệt ban đầu có thể làm giảm đáng kể sự hình thành khuyết điểm, đồng thời giúp vật liệu đạt mức điện áp kỷ lục cho loại pin năng lượng mặt trời CZTS này.

Loại bỏ những khuyết điểm ẩn
Mặc dù các khuyết điểm trong vật liệu CZTS có kích thước cực nhỏ, nhiều khuyết điểm chỉ tương đương kích thước của từng nguyên tử, tác động của chúng đến hiệu suất pin năng lượng mặt trời lại rất lớn.

Giáo sư Hao chia sẻ: “Khi một thành phần dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu, nó sẽ hình thành một pha khác, về mặt kỹ thuật, tức là tạo ra một vật liệu khác. Vì vậy, khi tinh thể phát triển, các tạp chất và những khuyết điểm cực nhỏ sẽ xuất hiện bên trong tinh thể. Điều này cũng gây mất trật tự trong cấu trúc tinh thể. Các khuyết điểm có thể giữ lại các hạt tải điện được tạo ra bởi ánh sáng, từ đó làm giảm hiệu suất của pin năng lượng mặt trời.”

Giáo sư Hao nói thêm: “Điện áp là đại lượng phản ánh trực tiếp mức tổn thất năng lượng bên trong pin năng lượng mặt trời. Mỗi khuyết điểm có hại đều làm giảm điện áp. Do đó, khả năng kiểm soát khuyết điểm sẽ quyết định hiệu suất cuối cùng và lượng năng lượng có thể chuyển đổi từ ánh sáng mặt trời.”

Với chiến lược chế tạo mới, nhóm nghiên cứu đã đạt hiệu suất được chứng nhận ở mức 12,4%.

Mặc dù mức hiệu suất này vẫn thấp hơn so với các pin năng lượng mặt trời silicon thương mại, các nhà nghiên cứu cho rằng kết quả có ý nghĩa quan trọng vì nó giải quyết được một trong những vấn đề khoa học tồn tại lâu nhất của công nghệ CZTS.

Giải pháp có thể áp dụng cho các vật liệu khác
Theo các nhà nghiên cứu, kết quả quan trọng nhất của công trình không chỉ đơn thuần là tạo ra một pin năng lượng mặt trời CZTS tốt hơn.

Thay vào đó, nghiên cứu đã thiết lập một chiến lược thiết kế có phạm vi ứng dụng rộng hơn, có thể giúp cải thiện nhiều loại vật liệu bán dẫn khác nhau được sử dụng trong các công nghệ pin năng lượng mặt trời trong tương lai.

Đồng tác giả nghiên cứu, Tiến sĩ Ao Wang, cho biết các nhà nghiên cứu thường giả định rằng nếu thành phần ban đầu đã chính xác thì quá trình gia nhiệt sẽ tự nhiên tạo ra vật liệu như mong muốn.

Tiến sĩ Wang chia sẻ: “Phần lớn mọi người tập trung vào việc tìm đúng công thức và xem quá trình nhiệt như một ‘hộp đen’.’ Họ cho rằng chỉ cần các nguyên liệu được trộn đều thì chiếc bánh, hay trong trường hợp này là pin năng lượng mặt trời, sẽ tự nhiên hình thành đúng như mong muốn. Nhưng thực tế không phải vậy. Nếu bơ bắt đầu tách ra trong vài phút đầu tiên của quá trình nướng, ngay cả một công thức hoàn hảo cũng không thể tạo ra một chiếc bánh hoàn hảo.”

Ý tưởng tưởng chừng đơn giản này có thể tạo ra những ảnh hưởng vượt xa phạm vi vật liệu CZTS.

Nhiều vật liệu bán dẫn tiên tiến được cấu thành từ nhiều nguyên tố hóa học khác nhau, vì vậy chúng cũng có thể gặp những vấn đề tương tự trong quá trình chế tạo.

Giáo sư Hao cho rằng việc hiểu rõ, sau đó kiểm soát cách các thành phần này hoạt động trong những giai đoạn đầu tiên của quá trình chế tạo có thể trở thành một nguyên tắc thiết kế quan trọng trong toàn bộ lĩnh vực vật liệu bán dẫn.

Giáo sư Hao cho biết: “Chiến lược kiểm soát khuyết điểm mà nhóm phát triển sẽ rất hữu ích trong việc thiết kế và tối ưu hóa các loại bán dẫn hợp chất khác. Hy vọng công nghệ và nguyên tắc kiểm soát khuyết điểm của nhóm có thể được các nhóm nghiên cứu khác sử dụng khi phát triển thêm các vật liệu ứng viên cho lớp pin phía trên của pin năng lượng mặt trời tandem.”

Giáo sư Hao kết luận: “Nguyên tắc thiết kế này không chỉ dành riêng cho vật liệu CZTS. Điều quan trọng là không chỉ xem xét công thức cuối cùng. Cần bắt đầu thiết kế ngay từ giai đoạn trộn các thành phần và duy trì sự phân bố đồng đều của chúng. Thành phần có thể thay đổi giữa các loại vật liệu bán dẫn khác nhau, nhưng nguyên tắc thiết kế vẫn giống nhau.”

Để xem các bài viết khác về “Pin”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online