Các tấm pin mặt trời trên mái Walmart, Mountain View, California.
Walmart / Flickr, CC BY

Nhu cầu năng lượng toàn cầu đang tăng lên từng giờ khi các nước đang phát triển tiến tới công nghiệp hóa. Các chuyên gia ước tính rằng vào năm 2050, nhu cầu điện trên toàn thế giới có thể đạt tới Terawts 30 (TW). Đối với phối cảnh, một terawatt gần bằng sức mạnh của 1.3 tỷ con ngựa.

Năng lượng từ mặt trời là vô hạn - mặt trời cung cấp cho chúng ta 120,000 TW năng lượng bất cứ lúc nào - và nó hoàn toàn miễn phí. Nhưng ngày nay năng lượng mặt trời cung cấp chỉ khoảng một phần trăm điện thế giới. Thách thức quan trọng là làm cho việc chuyển đổi năng lượng ảnh thành năng lượng điện có thể sử dụng ít tốn kém hơn.

Để làm điều đó, chúng ta cần tìm các vật liệu hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển đổi nó thành điện năng một cách hiệu quả. Ngoài ra, chúng tôi muốn các vật liệu này phong phú, lành tính với môi trường và tiết kiệm chi phí để chế tạo thành các thiết bị năng lượng mặt trời.

Các nhà nghiên cứu từ khắp nơi trên thế giới đang làm việc để phát triển các công nghệ pin mặt trời hiệu quả và giá cả phải chăng. Mục tiêu là mang lại chi phí lắp đặt điện mặt trời dưới US $ 1 mỗi watt, so với khoảng $ 3 mỗi watt ngày hôm nay.

Tại trường đại học Binghamton Trung tâm năng lượng mặt trời tự trị (CASP), chúng tôi đang nghiên cứu các cách để tạo ra pin mặt trời màng mỏng bằng cách sử dụng các vật liệu có nhiều trong tự nhiên và không độc hại. Chúng tôi muốn phát triển pin mặt trời đáng tin cậy, hiệu quả cao trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng và không tốn kém để sản xuất. Chúng tôi đã xác định được hai vật liệu có tiềm năng lớn là chất hấp thụ năng lượng mặt trời: pyrite, hay còn gọi là vàng của kẻ ngốc vì ánh kim loại của nó; và đồng-kẽm-thiếc-sunfua (CZTS).

Tìm kiếm vật liệu lý tưởng

Pin mặt trời thương mại ngày nay được làm từ một trong ba vật liệu: silicon, cadmium Telluride (CdTe) và đồng-indium-gallium-selenide (CIGS). Mỗi cái đều có điểm mạnh và điểm yếu.

Pin mặt trời silicon có hiệu quả cao, chuyển đổi tới 25 phần trăm ánh sáng mặt trời chiếu vào chúng thành điện và rất bền. Tuy nhiên, rất tốn kém khi chế biến silicon thành tấm wafer. Và các tấm wafer này phải rất dày (khoảng 0.3 milimet, dày đối với pin mặt trời) để hấp thụ tất cả ánh sáng mặt trời chiếu vào chúng, làm tăng thêm chi phí.

Pin mặt trời silicon - thường được gọi là pin mặt trời thế hệ đầu tiên - được sử dụng trong các tấm pin đã trở thành điểm tham quan quen thuộc trên mái nhà. Trung tâm của chúng tôi đang nghiên cứu một loại khác gọi là pin mặt trời màng mỏng, là thế hệ tiếp theo của công nghệ năng lượng mặt trời. Như tên gọi của chúng, pin mặt trời màng mỏng được tạo ra bằng cách đặt một lớp vật liệu hấp thụ năng lượng mặt trời mỏng trên một chất nền, như thủy tinh hoặc nhựa, thường có thể linh hoạt.

Những pin mặt trời này sử dụng ít vật liệu hơn, vì vậy chúng rẻ hơn so với pin mặt trời tinh thể làm từ silicon. Không thể phủ silicon tinh thể lên một chất nền linh hoạt, vì vậy chúng ta cần một vật liệu khác để sử dụng làm chất hấp thụ năng lượng mặt trời.

Mặc dù công nghệ năng lượng mặt trời màng mỏng đang cải thiện nhanh chóng, một số vật liệu trong pin mặt trời màng mỏng ngày nay rất khan hiếm hoặc nguy hiểm. Ví dụ, cadmium trong CdTe có độc tính cao đối với mọi sinh vật sống và được biết là gây ung thư ở người. CdTe có thể tách thành cadmium và Tellurium ở nhiệt độ cao (ví dụ, trong phòng thí nghiệm hoặc cháy nhà), gây nguy cơ hít phải nghiêm trọng.

Chúng tôi đang làm việc với pyrite và CZTS vì chúng không độc hại và rất rẻ tiền. Chi phí CZTS khoảng 0.005 xu mỗi watt và chi phí pyrite một xu 0.000002 chỉ mỗi watt. Chúng cũng là một trong những vật liệu phong phú nhất trong lớp vỏ Trái đất và hấp thụ quang phổ ánh sáng mặt trời một cách hiệu quả. Những bộ phim này có thể mỏng như 1 / 1000th của một milimet.

Kiểm tra pin mặt trời CZTS dưới ánh sáng mặt trời mô phỏng.
Đại học Tara Dhakal / Binghamton, Tác giả cung cấpChúng ta cần kết tinh những vật liệu này trước khi có thể chế tạo chúng thành pin mặt trời. Điều này được thực hiện bằng cách làm nóng chúng. CZTS kết tinh ở nhiệt độ dưới 600 độ C, so với 1,200 độ C hoặc cao hơn đối với silicon, khiến cho việc chế biến ít tốn kém hơn. Nó hoạt động giống như pin mặt trời indium gallium selenide (CIGS) hiệu quả cao, hiện có bán trên thị trường, nhưng thay thế indium và gallium trong các tế bào này bằng kẽm và thiếc rẻ hơn và dồi dào hơn.

Tuy nhiên, cho đến nay, pin mặt trời của CZTS tương đối kém hiệu quả: chúng chuyển đổi ít hơn 13% của ánh sáng mặt trời chiếu vào chúng, so với phần trăm 20 đối với pin mặt trời CIGS đắt tiền hơn.

Chúng tôi biết rằng pin mặt trời CZTS có tiềm năng đạt hiệu quả phần trăm 30. Những thách thức chính là 1) tổng hợp màng mỏng chất lượng cao CZTS mà không có bất kỳ dấu vết tạp chất nào, và 2) tìm ra vật liệu phù hợp cho lớp đệm đệm bên dưới, giúp thu các điện tích mà ánh sáng mặt trời tạo ra trong lớp hấp thụ. Phòng thí nghiệm của chúng tôi đã sản xuất một màng mỏng CZTS với hiệu quả bảy phần trăm; chúng tôi hy vọng sẽ sớm đạt được hiệu quả phần trăm 15 bằng cách tổng hợp các lớp CZTS chất lượng cao và tìm các lớp đệm phù hợp.

Cấu trúc của pin mặt trời CZTS.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., Tác giả cung cấpPyrite là một chất hấp thụ tiềm năng khác có thể được tổng hợp ở nhiệt độ rất thấp. Phòng thí nghiệm của chúng tôi đã tổng hợp các màng mỏng pyrite, và bây giờ chúng tôi đang nghiên cứu để ghép các màng đó vào pin mặt trời. Quá trình này là một thách thức vì pyrite dễ dàng bị phá vỡ khi nó tiếp xúc với nhiệt và độ ẩm. Chúng tôi đang nghiên cứu các cách để làm cho nó ổn định hơn mà không ảnh hưởng đến độ hấp thụ năng lượng mặt trời và tính chất cơ học của nó. Nếu chúng ta có thể giải quyết vấn đề này, vàng của kẻ lừa đảo có thể biến thành một thiết bị quang điện thông minh.

Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford và Đại học California tại Berkeley đã ước tính rằng năng lượng mặt trời có thể cung cấp lên đến 45 phần trăm điện Hoa Kỳ bởi 2050. Để đạt được mục tiêu đó, chúng ta cần tiếp tục giảm chi phí năng lượng mặt trời và tìm cách làm cho pin mặt trời bền vững hơn. Chúng tôi tin rằng các vật liệu dồi dào, không độc hại là chìa khóa để nhận ra tiềm năng của năng lượng mặt trời.

Giới thiệu về Tác giả

Tara P. Dhakal, Trợ lý Giáo sư Kỹ thuật Điện và Máy tính, Đại học Binghamton, Đại học Bang New York. Quan tâm nghiên cứu của ông là năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Mục tiêu nghiên cứu của ông là đạt được công nghệ pin mặt trời lành tính với môi trường và giá cả phải chăng về kinh tế.

Bài viết này ban đầu được xuất bản vào Conversation. Đọc ban đầu bài viết.

Sách liên quan

at Thị trường InnerSelf và Amazon