Bất cứ khi nào tôi nói với mọi người rằng tôi làm việc với pin mặt trời, tôi đều hỏi hai câu hỏi tương tự: chúng có bao giờ thực sự rẻ không? Và bạn có thể lấy cho tôi một ít không? Trong khi câu trả lời cho câu hỏi thứ hai là không, câu trả lời cho câu hỏi thứ nhất tích cực hơn rất nhiều. Hàng năm, các tấm pin mặt trời đã giảm giá và cải thiện hiệu quả mà chúng có thể chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng.

Đồng thời chi phí nhiên liệu hóa thạch tiếp tục tăng, và trong vài năm tới, chúng ta sẽ đạt đến điểm mà chi phí chồng chéo - một số số liệu cho thấy điều này có thể đã xảy ra Câu hỏi không phải là liệu năng lượng mặt trời có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch là phương tiện rẻ nhất để sản xuất năng lượng hay không, mà là khi nào.

Trong khi điều này đã mang lại một sự thúc đẩy to lớn cho ngành năng lượng mặt trời, sự phấn khích chính trong ngành năng lượng mặt trời ngày nay là do một loại vật liệu mới gọi là perovskite. Kết hợp một số phẩm chất tốt nhất của các vật liệu chính hơn, nó đã tỏ ra vô cùng linh hoạt - đến mức các nhà nghiên cứu của Đại học Sheffield đã sản xuất pin mặt trời perovskite dưới dạng chất lỏng phun. Vì vậy, perovskite là gì, và những gì xung quanh nó là gì?

Pin mặt trời, thành phần của các tấm pin mặt trời phản ứng với ánh sáng, được chế tạo từ những gì được gọi là vật liệu quang điện. Khi ánh sáng chiếu vào các vật liệu này, các electron sẽ được giải phóng để di chuyển qua vật liệu. Với thiết kế cẩn thận cấu trúc của các pin mặt trời này, các electron này có thể được thu thập thành một dòng điện. Đây là quá trình cung cấp tài sản có phần kỳ diệu của các tấm pin mặt trời - ánh sáng mặt trời vào và tắt điện.

Bên trong một tấm pin mặt trời

Nói rộng hơn, pin mặt trời có thể được chia thành hai nhóm riêng biệt - những nhóm dựa trên vật liệu quang điện vô cơ, chẳng hạn như silicon hoặc cadmium telluridevà những chất dựa trên các hợp chất hữu cơ cụ thể, như PCDTBT. Cả hai đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng.

Các vật liệu vô cơ đã được thiết lập tốt trong công nghiệp, có khả năng chuyển đổi ánh sáng thành điện năng với hiệu suất cao hơn 20% và tạo ra các tấm pin mặt trời với tuổi thọ hơn 25. Nhược điểm là các nguyên liệu thô cần thiết, đặc biệt là với silicon, có thể đắt tiền.

Pin mặt trời hữu cơ dựa trên các vật liệu có khả năng chi phí thấp và thậm chí có thể được sản xuất từ ​​dung dịch lỏng, khiến chúng rất nhanh và rẻ tiền để sản xuất. Tuy nhiên, ngay cả ở quy mô phòng thí nghiệm, pin mặt trời hữu cơ vẫn phải vật lộn để đạt được hiệu suất cao hơn 10%. Thậm chí quan trọng hơn, các hợp chất hữu cơ dần dần bị phân hủy dưới ánh sáng, thường làm giảm tuổi thọ của bảng theo thứ tự tháng hoặc tuần thay vì năm. Do đó, các vật liệu hữu cơ này hiếm khi được sử dụng để sản xuất các tấm pin mặt trời, vì không ai thích ý tưởng phải leo lên mái nhà của chúng để thay thế chúng sau mỗi sáu tháng. Lý tưởng nhất là chúng ta muốn có một pin mặt trời với hiệu suất và tính ổn định lâu dài của vật liệu vô cơ với chi phí cực thấp của vật liệu hữu cơ.

Nhập Perovskite

Trong vài năm qua, nghiên cứu năng lượng mặt trời đã chứng kiến ​​sự xuất hiện của một loại vật liệu mới đáng chú ý được gọi là perovskites. Đây là một vật liệu hữu cơ lai vô cơ, về cơ bản là một hợp chất hữu cơ có gắn một nguyên tố vô cơ. Perovskite đề cập đến loại cấu trúc tinh thể cụ thể, xuất hiện tự nhiên trong một số khoáng sản nhất định. Các hợp chất lai này có cấu trúc tinh thể này nhưng cũng là sự kết hợp phức tạp của các nhóm amoniac và methyl hữu cơ với các phân tử chì vô cơ hoặc chì clorua vô cơ.

Lý do cho sự phấn khích xung quanh các tài liệu này là tốc độ đáng kinh ngạc mà họ đã phát triển. Trước đây, bất cứ khi nào một vật liệu mới được phát hiện, nó đã mất vài năm nghiên cứu 10-20 để đạt được tỷ lệ hiệu quả thậm chí là 10%. Pin mặt trời Perovskite chỉ xuất hiện trong 2012, nhưng đã tăng tốc độ chuyển đổi của hiệu quả hơn 19%. Tốc độ phát triển phồng rộp này là chưa từng có trong nghiên cứu năng lượng mặt trời.

Là một vật liệu lai, cũng như tự hào về hiệu quả tốt như với các vật liệu vô cơ, perovskites cũng có thể tận dụng khả năng của vật liệu mặt trời hữu cơ để được áp dụng như một giải pháp chất lỏng. Đây là những gì mà nhóm của Giáo sư David Lidzey tại Đại học Sheffield đã tận dụng, phun perovskite như một lớp phủ chất lỏng lên vật liệu nền. Điều này cho phép pin mặt trời được sản xuất với khối lượng lớn và chi phí thấp.

Tương lai của Perovskites

Điều này có nghĩa là tất cả các pin mặt trời trong tương lai sẽ được dựa trên perovskites? Vẫn còn quá sớm để nói. Mặc dù chúng có nhiều lợi ích nhưng vẫn còn một số thách thức chính cần phải vượt qua.

Có một số câu hỏi liên quan đến tác động môi trường tiềm năng của hàm lượng chì của vật liệu (mặc dù công việc đang diễn ra để loại bỏ yêu cầu về chì) và việc sản xuất có thể dễ dàng tăng quy mô đến kích cỡ thương mại hữu ích như thế nào. Như với pin mặt trời hữu cơ, tính ổn định lâu dài của chúng cũng rất đáng nghi ngờ và chúng đặc biệt nhạy cảm với độ ẩm - một vài giọt nước có thể phá hủy hoàn toàn vật liệu.

Vì vậy, việc xây dựng một mô-đun bảng năng lượng mặt trời perovskite có khả năng tồn tại trong nhiều thập kỷ ngoài trời rất có thể vẫn còn một số cách - thực tế không có gì đảm bảo nó thậm chí có thể. Nhưng điều chắc chắn là tiềm năng của pin mặt trời perovskite là đáng kinh ngạc, và nếu lời hứa của vật liệu có thể được thực hiện, nó có thể cách mạng hóa hoàn toàn khả năng của năng lượng mặt trời.

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

Lưu ý

Jon Major là một nghiên cứu viên tại Đại học Liverpool. Lợi ích nghiên cứu của ông bao gồm màng mỏng, quang điện, chất bán dẫn và dây dẫn trong suốt.

Tuyên bố công khai: Jon Major được liên kết với tập đoàn nghiên cứu siêu quốc gia 'siêu nhân'.

Sách giới thiệu:

Green Wizardry: Bảo tồn, năng lượng mặt trời, làm vườn hữu cơ và các kỹ năng thực hành khác từ Bộ công cụ công nghệ phù hợp - của John Michael Greer

Vào thời cổ đại, một phù thủy là một trí thức tự do với cổ phiếu chính trong thương mại là lời khuyên tốt, được hỗ trợ bởi một nền giáo dục kỹ lưỡng về nông nghiệp, điều hướng, khoa học chính trị và quân sự, ngôn ngữ, thương mại, toán học, y học và khoa học tự nhiên. Cuốn sách này là một cuốn sách nên đọc cho bất kỳ ai quan tâm đến việc giảm sự phụ thuộc của chúng ta vào một hệ thống công nghiệp quá tải và, trong một thế giới thiếu hụt năng lượng nghiêm trọng và những rắc rối kinh tế, khiến cuộc sống trở nên ít đau thương và dễ sống hơn. Từ các khái niệm cơ bản của sinh thái học đến rất nhiều kỹ thuật thực tế, Green Wizardry là một hướng dẫn toàn diện cho đào tạo thuật sĩ ngày nay.

Bấm vào đây để biết thêm thông tin và / hoặc đặt mua cuốn sách này.