Những đổi mới hiện tại và sắp tới trong công nghệ pin mặt trời

with Không có phản hồi

Năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng tái tạo lớn thứ ba sau thủy điện và gió, đã nổi lên như một giải pháp thay thế sạch, bền vững và mạnh mẽ cho nhiên liệu hóa thạch. Lượng ánh sáng mặt trời chiếu vào Trái đất gấp hơn 10.000 lần tổng năng lượng sử dụng của thế giới và các công nghệ thu hoạch càng nhiều năng lượng mặt trời càng tốt đang phát triển nhanh chóng. Kể từ tấm pin mặt trời silicon (Si) thương mại đầu tiên được tạo ra bởi Phòng thí nghiệm Bell vào năm 1954, các công nghệ phổ biến nhất ngày nay sử dụng các dạng khác nhau của pin mặt trời dựa trên Si và chuyển đổi tới 20% ánh sáng mặt trời thành điện năng.

Theo phân tích thị trường của IEA , việc tạo ra quang điện mặt trời (PV) – quá trình chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng – đã đạt 720 TWh vào năm 2019 từ 585 TWh vào năm 2018 và dự kiến ​​sẽ tăng lên 1.940 TWh vào năm 2025. Mức tối đa hiện tại trên toàn cầu công suất của năng lượng mặt trời là 592 GW , đóng góp 2,2% vào sản lượng điện toàn cầu.

Những vật liệu đổi mới hiện tại và sắp tới là gì?

Một tế bào năng lượng mặt trời điển hình bao gồm các vật liệu bán dẫn như silicon loại p và n với một tiếp giáp pn phân lớp được nối với mạch ngoài. Sự chiếu sáng của ánh sáng mặt trời trên các tấm pin gây ra sự phóng điện tử ra khỏi silicon. Các êlectron bị đẩy ra dưới điện trường bên trong tạo ra dòng chảy qua tiếp giáp pn và mạch ngoài, tạo ra dòng điện (điện). Với một thị trường đang phát triển nhanh chóng và sự phát triển của các ứng dụng sáng tạo, hoạt động R & D về các vật liệu năng lượng mặt trời sáng tạo đang ở đỉnh cao để đạt được hiệu quả tối đa từ năng lượng mặt trời với chi phí thấp. Ba loại vật liệu bán dẫn được nghiên cứu nhiều hiện nay là Si tinh thể, màng mỏng và pin mặt trời perovskite thế hệ mới (PSC).

Silicon tinh thể

Silic tinh thể (c-Si) là vật liệu bán dẫn được sử dụng nhiều nhất trong các tấm pin mặt trời, chiếm hơn 90% thị trường PV toàn cầu, mặc dù hiệu suất thấp hơn đáng kể giới hạn lý thuyết (~ 30%). Pin mặt trời làm bằng vật liệu thay thế chi phí thấp và hiệu quả cao đang nổi lên.

Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) đang thúc đẩy sự phát triển của PV tinh thể hiệu suất cao , bao gồm vật liệu đa liên kết III-V (với hiệu suất mục tiêu> 30%) và pin mặt trời lai ghép III-V / Si. Các tế bào năng lượng mặt trời sáu điểm nối III-V của họ đã đạt hiệu suất 47,1% dưới ánh sáng tập trung. Hơn nữa, công nghệ hai mặt dựa trên Si có thể thu năng lượng mặt trời từ cả hai mặt của bảng điều khiển, với hiệu suất cao hơn 11% so với các tấm tiêu chuẩn.

mô-đun năng lượng mặt trời hai mặt
Mô-đun hai mặt của Lumos Solar GSX. Nguồn: Thế giới điện mặt trời .

Phim mỏng

Pin mặt trời màng mỏng thế hệ thứ hai đang xuất hiện như một trong những công nghệ PV hứa hẹn nhất do thiết kế hẹp ( lớp hấp thụ ánh sáng nhỏ hơn 350 lần so với tấm Si tiêu chuẩn), trọng lượng nhẹ, tính linh hoạt và dễ lắp đặt. Thông thường, bốn loại vật liệu được sử dụng trong xây dựng của chúng: cadmium-telluride (CdTe), silicon vô định hình, đồng-indium-gallium-selenide (CIGS) và gallium-arsenide (GaAs). Trong khi CdTe có mối quan tâm về độc tính do cadmium, pin mặt trời CIGS đang trở thành lựa chọn kinh tế và hiệu quả cao hứa hẹn hơn cho cả lắp đặt dân dụng và thương mại, với hiệu suất lên đến 21%.

Pin mặt trời CIGSe (Cu (In, Ga) (Se) 2) mỏng linh hoạt, được sản xuất tại Solarion AG. Nguồn: Wikipedia .

Ascent Solar là một trong những công ty hàng đầu trong việc sản xuất các mô-đun CIGS hiệu suất cao, với công nghệ CIGS siêu nhẹ và cực mạnh của họ được sử dụng trong không gian, hàng không vũ trụ, chính phủ và các lĩnh vực công cộng.

Tế bào năng lượng mặt trời Perovskite

Trong số các pin mặt trời thế hệ tiếp theo, pin mặt trời perovskite perovskite kim loại lai (PSC) đã thu hút được nhiều sự chú ý do giá rẻ, thiết kế mỏng hơn, xử lý ở nhiệt độ thấp và đặc tính hấp thụ ánh sáng tuyệt vời (hiệu suất tốt trong điều kiện khuếch tán và thấp ánh sáng). PSC có thể linh hoạt, nhẹ và nửa trong suốt. Đáng chú ý, màng mỏng perovskite cũng có thể được in, dẫn đến sản xuất thông lượng cao có thể mở rộng và PSC in cuộn sang cuộn gần đây đã đạt hiệu suất 12,2% , cao nhất trong số các PSC in.

Đáng chú ý, vật liệu perovskite và Si-PV kết hợp đã cho thấy hiệu suất kỷ lục lên đến 28% trong điều kiện phòng thí nghiệm, như Oxford PV đã chứng minh . Trong khi tính ổn định và độ bền vẫn là mối quan tâm lớn, hệ thống đóng gói chồng kính polyme chi phí thấp gần đây đã cho phép các PSC chịu được các điều kiện hoạt động tiêu chuẩn. Mặc dù PSC vẫn chưa được thương mại hóa, nhưng chúng có lợi thế kinh tế và hiệu quả đáng kể để thúc đẩy tương lai của thị trường năng lượng mặt trời .

Pin mặt trời Oxford PV perovskite đạt hiệu suất 28%
Nguồn: Oxford PV.

Công nghệ pin mặt trời tích hợp đột phá là gì?

Ngoài các vật liệu sáng tạo, các phương pháp sáng tạo nhằm thu năng lượng mặt trời tối đa cũng đang xuất hiện. Ví dụ, công ty khởi nghiệp Insolight của Thụy Sĩ đang sử dụng thấu kính tích hợp làm chất tăng cường quang học trong kính bảo vệ của tấm kính để tập trung chùm sáng gấp 200 lần trong khi đạt hiệu suất 30%.

Một phát triển khác gần đây là việc thiết kế các nguyên mẫu của thiết bị PV phát xạ nhiệt, hoặc các tấm pin mặt trời ngược , có thể tạo ra điện vào ban đêm bằng cách sử dụng nhiệt được chiếu từ các tấm vào không gian sâu được ghép nối quang học, đóng vai trò như một tấm tản nhiệt. 

Tóm tắt đồ họa cho thấy cách hoạt động của các tấm pin mặt trời ngược. Nguồn: Cell .

Điều thú vị là, cùng với các vật liệu sáng tạo, các ứng dụng tích hợp ngoài việc lắp đặt trên sân thượng tiêu chuẩn cũng đang gia tăng và hiện đang ở giai đoạn sơ khai. Ví dụ, chưng cất năng lượng mặt trời có thể thu năng lượng mặt trời trong khi tận dụng nhiệt tiêu tán từ các tấm pin để làm sạch nước, nếu có bộ phận chưng cất màng tích hợp.

Một công nghệ biến đổi khác của tương lai có thể là sơn năng lượng mặt trời , bao gồm sơn năng lượng mặt trời hydro (tạo ra năng lượng từ quá trình tách nước quang điện), chấm lượng tử (sơn quang điện) và sơn gốc perovskite.

Hơn nữa, các cửa sổ năng lượng mặt trời trong suốt là ứng dụng có tính sáng tạo cao và Ubiquitous Energy đã đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng là 10% với các vật liệu trong suốt của chúng. 

Với sự phát triển nhanh chóng của vật liệu bán dẫn giá rẻ, hiệu suất cao, màng mỏng tiết kiệm không gian và công nghệ dễ lắp đặt, thị trường năng lượng mặt trời dự kiến ​​sẽ bùng nổ trong 5 năm tới. Bất chấp những thất bại do đại dịch gây ra, việc giảm chi phí dự kiến từ 15% đến 35% vào năm 2024 cho việc lắp đặt năng lượng mặt trời là điều đáng khích lệ và có thể làm cho năng lượng tái tạo này trở nên hợp lý hơn.