Những chất bán dẫn mới này sẽ cách mạng hóa ngành NLMT
Nhu cầu điện xạch ngày càng nhiều, ngày càng rẻ hơn có nghĩa là bối cảnh năng lượng sạch đang thay đổi nhanh hơn bất kỳ thời điểm nào trong lịch sử. Điều này đúng với điện năng lượng mặt trời và bộ lưu trự pin. Chi phí của lắp đặt đã giảm đến mức chưa từng có trong thập kỷ qua và các công nghệ tiết kiệm năng lượng như đèn LED cũng được mở rộng.
Việc tiếp cận nguồn năng lượng mặt trời giá rẻ sẽ thay đổi cách chúng ta sản xuất và sử dụng điện năng, cho phép điện khí hóa ngành giao thông. Có tiềm năng cho các nền kinh tế khi mà chúng ta lưu trữ năng lượng tái tạo làm nhiên liệu và hỗ trợ các thiết bị mới tạo thành internet vạn vật.
Nhưng các công nghệ năng lượng hiện tại của chúng ta sẽ không đưa chúng ta đến tương lai này: chúng ta sẽ sớm đạt được giới hạn về hiệu quả và chi phí. Chẳng hạn, tiềm năng giảm chi phí điện từ năng lượng mặt trời silicon trong tương lai là rất hạn chế. Việc sản xuất mỗi bảng điều khiển đòi hỏi một lượng năng lượng hợp lý và việc xây dựng các nhà máy rất tốn kém . Và mặc dù chi phí sản xuất có thể bị ép thêm một chút, nhưng chi phí lắp đặt năng lượng mặt trời hiện đang bị chi phối bởi các tính năng bổ sung – lắp đặt, hệ thống dây điện, thiết bị điện tử, v.v.
Điều này có nghĩa là các hệ thống điện mặt trời hiện tại khó có thể đáp ứng phần yêu cầu điện năng toàn cầu 30 TeraWatt (TW) của chúng tôi (chúng sản xuất dưới 1 TW ngày nay) đủ nhanh để giải quyết các vấn đề như biến đổi khí hậu.
Tương tự như vậy, công nghệ chiếu sáng và màn hình LED hiện tại của chúng tôi quá đắt và không có chất lượng màu đủ tốt để thay thế thực tế ánh sáng truyền thống trong một khung thời gian đủ ngắn. Đây là một vấn đề nan giải, vì chiếu sáng hiện chiếm 5% lượng khí thải carbon trên thế giới. Cần có những công nghệ mới để lấp đầy khoảng trống này một cách nhanh chóng.
Halide perovskites
Phòng thí nghiệm của chúng tôi ở Cambridge , Anh, đang làm việc với một nhóm vật liệu mới đầy hứa hẹn được gọi là perovskites halogenua . Chúng là chất bán dẫn, dẫn điện khi được kích thích bằng ánh sáng. Mực perovskite được lắng vào thủy tinh hoặc nhựa để tạo ra những màng cực mỏng – có chiều rộng bằng một phần trăm sợi tóc người – được tạo thành từ kim loại, halogenua và các ion hữu cơ. Khi bị kẹp giữa các điểm tiếp xúc điện cực, các màng này tạo nên pin mặt trời hoặc thiết bị LED.
Thật ngạc nhiên, màu sắc của ánh sáng mà chúng hấp thụ hoặc phát ra có thể thay đổi chỉ bằng cách điều chỉnh cấu trúc hóa học của chúng. Bằng cách thay đổi cách trồng chúng, chúng ta có thể điều chỉnh chúng để phù hợp hơn với việc hấp thụ ánh sáng (đối với bảng điều khiển năng lượng mặt trời) hoặc phát ra ánh sáng (đối với đèn LED). Điều này cho phép chúng tôi tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời và đèn LED có màu sắc khác nhau phát ra ánh sáng từ tia cực tím, xuyên qua vùng nhìn thấy và cận hồng ngoại.
Mặc dù chế biến linh hoạt và rẻ tiền, những vật liệu này đã được chứng minh là có hiệu quả đáng kể như cả pin mặt trời và bộ phát ánh sáng.
Tế bào năng lượng mặt trời perovskite nhấn hiệu quả 25,2% vào năm 2019 , nóng trên gót của các tế bào silicon tinh thể ở 26,7%, và đèn LED perovskite đã tiếp cận off-the-shelf diode (OLED) biểu diễn hữu cơ phát sáng.
Những công nghệ này đang nhanh chóng được thương mại hóa , đặc biệt là trên mặt trận pin mặt trời. Công ty Oxford Photovoltaics có trụ sở tại Anh đã xây dựng một dây chuyền sản xuất và đang hoàn tất các đơn hàng đầu tiên vào đầu năm 2021 . Công ty Ba Lan Saule Technologies đã phát hành các sản phẩm nguyên mẫu vào cuối năm 2018, bao gồm cả một thử nghiệm mặt tiền perovskite năng lượng mặt trời . Nhà sản xuất Trung Quốc Microquanta Semiconductor dự kiến sẽ sản xuất hơn 200.000 mét vuông tấm nền trong dây chuyền sản xuất của mình trước cuối năm nay. Swift Solar có trụ sở tại Hoa Kỳ (công ty do tôi đồng sáng lập) đang đi tiên phong trong các tế bào hiệu suất cao với đặc tính nhẹ, linh hoạt.
Cửa sổ năng lượng mặt trời và các tấm linh hoạt
Không giống như các tế bào silicon thông thường, cần rất đồng đều để đạt hiệu quả cao, màng perovskite bao gồm các “hạt” khảm có kích thước thay đổi rất cao (từ nanomet đến milimet) và hóa học – nhưng chúng hoạt động gần như tốt nhất các tế bào silicon hiện nay . Hơn nữa, những khuyết điểm hoặc khuyết tật nhỏ trong màng perovskite không dẫn đến tổn thất điện năng đáng kể. Những khiếm khuyết như vậy sẽ là thảm họa đối với bảng điều khiển silicon hoặc đèn LED thương mại.
Mặc dù chúng tôi vẫn đang cố gắng hiểu điều này, nhưng những vật liệu này đang buộc cộng đồng phải viết lại sách giáo khoa cho thứ mà chúng tôi coi là chất bán dẫn lý tưởng: chúng có thể có các đặc tính quang học và điện tử rất tốt mặc dù – hoặc thậm chí có thể là do – rối loạn.
Theo giả thuyết, chúng ta có thể sử dụng những vật liệu này để tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời có màu “thiết kế riêng” có thể hòa trộn vào các tòa nhà hoặc nhà ở hoặc các cửa sổ năng lượng mặt trời trông giống như kính màu nhưng tạo ra năng lượng.
Nhưng cơ hội thực sự là phát triển các tế bào hiệu quả cao ngoài hiệu quả của tế bào silicon. Ví dụ, chúng ta có thể xếp hai màng perovskite có màu khác nhau lại với nhau trong một pin mặt trời “song song” . Mỗi lớp sẽ thu hoạch các vùng khác nhau của quang phổ mặt trời, làm tăng hiệu suất tổng thể của tế bào.
Một ví dụ khác là những gì Oxford PV đang đi tiên phong: thêm một lớp perovskite lên trên một tế bào silicon tiêu chuẩn, nâng cao hiệu quả của công nghệ hiện có mà không phải trả thêm chi phí đáng kể.
Những cách tiếp cận phân lớp song song này có thể nhanh chóng tạo ra sự gia tăng hiệu quả của các tấm pin mặt trời vượt quá 30%, điều này sẽ làm giảm cả chi phí của tấm và hệ thống đồng thời giảm lượng năng lượng của chúng.
Các lớp perovskite này cũng đang được phát triển để sản xuất các tấm pin mặt trời linh hoạt có thể được xử lý để cuộn như giấy in báo, giúp giảm chi phí hơn nữa . Năng lượng mặt trời nhẹ, công suất cao cũng mở ra khả năng cung cấp năng lượng cho xe điện và vệ tinh liên lạc.
Đối với đèn LED, perovskites có thể đạt được chất lượng màu sắc tuyệt vời có thể dẫn đến các công nghệ hiển thị linh hoạt tiên tiến . Perovskites cũng có thể cung cấp ánh sáng trắng rẻ hơn, chất lượng cao hơn so với đèn LED thương mại ngày nay, với “nhiệt độ màu” của quả cầu có thể được sản xuất để cung cấp ánh sáng trắng mát hoặc ấm hoặc bất kỳ bóng nào mong muốn ở giữa. Họ cũng đang tạo ra sự phấn khích như các khối xây dựng cho các máy tính lượng tử trong tương lai , cũng như các máy dò X-Ray để chụp ảnh y tế và an ninh liều cực thấp.
Mặc dù những sản phẩm đầu tiên đã xuất hiện nhưng vẫn còn nhiều thách thức. Một vấn đề quan trọng là thể hiện sự ổn định lâu dài . Nhưng nghiên cứu đầy hứa hẹn, và một khi chúng được giải quyết, perovskite halogenua có thể thực sự thúc đẩy quá trình chuyển đổi sản xuất và tiêu thụ năng lượng của chúng ta.
Bài báo này được đăng lại từ The Conversation của Sam Stranks , Giảng viên về Năng lượng và Nghiên cứu viên Đại học Hiệp hội Hoàng gia, Đại học Cambridge theo giấy phép Creative Commons. Đọc bài báo gốc .
