Pin năng lượng mặt trời có hiệu suất kỷ lục: 44,4%

Nếu bạn hỏi tôi công ty nào đang đứng đầu trong lĩnh vực sản xuất pin mặt trời có hiệu suất cao, tôi có thể trả lời ngay rằng đó chính là Sharp. Cấu tạo đa tiếp xúc trong pin mặt trời của họ cho phép đạt hiệu suất thay đổi từ quang năng sang điện năng lên tới 44,4%. Loại pin mặt trời này đang được Sharp đẩy mạnh trong việc trang bị cho các vệ tinh nhân tạo, hoặc trang bị cho các thiết bị pin mặt trời tập trung trên mặt đất (CPV – Concentrator Photovoltaic). Hôm nay, chúng ta sẽ đi tìm hiểu về loại pin mặt trời đa tiếp xúc này. 

Công ty sản xuất pin mặt trời có hiệu suất cao nhất trước SHARP là một công ty của Mỹ có tên là Solar Junction, với hiệu suất là 44 %. Có thể nói, việc tăng hiệu suất năng lượng pin mặt trời dường như đã gần tới giới hạn. Pin mặt trời do Sharp phát triển là pin mặt trời dạng tập trung, tức dùng những thấu kính lồi để tập trung ánh sáng tại một điểm nhằm tăng hiệu suất phát điện. Trước đó, hãng này cũng đã từng lập kỷ lục vào tháng 4 năm 2013 với loại pin mặt trời không sử dụng cấu tạo tập trung ánh sáng với hiệu suất là 37.8%, vượt qua kỷ lục của hãng Spectrolab (Mỹ) chỉ 0.1%.

Các kỷ lục này đều nằm trong dự án phát triển pin mặt trời hiệu suất cao của Nhật bản, chịu sự quản lý của NEDO – Cơ quan nghiên cứu và phát triển kỹ thuật sản xuất tổng hợp Nhật Bản. Tuy nhiên, mục tiêu của NEDO còn cao hơn nữa, đó là trước năm 2014 có thể chế tạo loại pin mặt trời có hiệu suất 48%.

Kỹ thuật Sharp đã sử dụng 

Kỹ thuật mà Sharp đã sử dụng để phát triển loại pin mặt trời kể trên là phương thức 3 bán dẫn hợp chất tiếp xúc. Cấu tạo này khác so với các loại pin mặt trời dân dụng. Pin mặt trời dân dụng được thiết kế trên các mái nhà đa phần loại pin mặt trời sử dụng Silicon đơn tinh thể hoặc đa tinh thể. Chúng đều sử dụng Silicon có độ tinh khiết rất cao. Ngoài ra, còn có một số loại pin mặt trời khác sử dụng Silicon màng mỏng, hoặc sử dụng các bán dẫn hợp chất màng mỏng CIS (CIGS). Điểm giống nhau của các pin mặt trời dân dụng là đều sử dụng cấu tạo sandwich, 1 tầng phát điện sẽ được kẹp giữa bởi 2 điện cực.

Cấu tạo cell pin mặt trời của Sharp khác với cấu tạo pin mặt trời dân dụng tại điểm này. Cell phát điện của Sharp sử dụng 3 tầng phát điện khác nhau.

Do ánh sáng mặt trời là ánh sáng trắng, nó là tổng hợp của vô số loại ánh sáng đơn sắc khác nhau. Nếu chỉ có cấu tạo 1 tầng thì chỉ có một loại ánh sáng mang dải sóng nhất định được chuyển thành điện. Còn với cấu tạo pin mặt trời của Sharp, nhờ 3 tầng phát điện mà có thể chuyển được nhiều ánh sáng sang điện năng hơn.

Cấu tạo cụ thể như sau:

Tầng phát điện thứ 1 (trên cùng): Là bán dẫn InGaP, có thể hấp thụ ánh sáng màu vàng, màu lục và màu xanh.

Tầng phát điện thứ 2 (ở giữa ): Là bán dẫn GaAs, có thể hấp thụ ánh sáng màu đỏ.

Tầng phát điện thứ 3 (ở giữa ): Là bán dẫn InGaAs, có thể hấp thụ tia hồng ngoại.

Vậy thì tại sao các loại pin mặt trời dân dụng không có cấu tạo đa tầng phát điện giống như trên? Đó chính là do chi phí sản xuất. Cấu tạo đa tầng khiến việc phát triển, chế tạo trở nên khó khăn hơn rất nhiều. Và việc chế tạo ra chúng với diện tích bề mặt lớn là rất khó. In, Ga, As đều là các yếu tố kim loại hiếm, mà Nhật bản đang cố gắng thoát khỏi sự lệ thuộc nhập khẩu từ Trung Quốc (Tham Khảo bài “Thần kỳ Nhật bản: Thoái khỏi sự trói buộc tài nguyên“).

Tuy cấu tạo đa tầng phát điện giúp hiệu suất pin mặt trời tăng đáng kể, nhưng cũng không thể đạt tới hiệu suất cao tới 44,4% nếu Sharp không sử dụng cấu tạo tập trung ánh sáng – dùng 1 màng thấu kính lồi để tập trung ánh sáng vào cell pin mặt trời. Không chỉ giúp nâng cao hiệu suất, việc này còn giúp giảm đi yếu điểm khó tăng diện tích pin mặt trời. Bằng cách này, pin mặt trời có kích thước 4mm (đường chéo), tức có diện tích tầm 0.165 cm2  của Sharp có thể cho dòng điện tương đương pin mặt trời dân dụng có kích thước 7 cm. Cell pin mặt trời của Sharp chỉ bằng 1/4 so với cell pin mặt trời dân dụng sử dụng đơn tinh thể silicon.

Cải cách trong thiết kế điện cực 

Một vấn đề mà các nhà sản xuất pin mặt trời luôn phải đối đầu chính là việc làm thế nào để đưa dòng điện ra ngoài. Lẽ dĩ nhiên, họ không thể “chôn” các điện cực trong pin mặt trời được. Các điện cực được thiết kế để  “kẹp lấy” các tầng phát điện. Thế nhưng, các điện cực tại bề mặt trên (hay còn gọi là grid terminal) sẽ cản trở quá trình hấp thụ ánh sáng và làm giảm hiệu suất phát điện. Để đạt được hiệu suất 44,4%, không chỉ sử dụng cấu tạo hợp chất bán dẫn đa tiếp hợp kể trên mà Sharp đã thay đổi rất nhiều trong thiết kế điện cực.

Phóng đại phần tiếp xúc giữa điện cực và tầng trên của pin mặt trời, ta có thể thấy rằng, ngoài điện cực và chất bán dẫn ra, còn có một tầng khác được gọi là tầng “contact”. Điện cực là kim loại và tầng phát điện là chất bán dẫn, là hai chất hoàn toàn khác nhau nên ta  không thể  trực tiếp cố định điện cực được.  Vì vậy mà phải sử dụng tầng contact này. Tuy nhiên, trong các thiết kế cũ, tầng contact có diện tích tiếp xúc với chất bán dẫn còn lớn hơn cả mặt tiếp xúc của tầng contact và điện cực nên làm giảm hiệu suất hấp thu ánh sáng mặt trời và làm giảm hiệu năng. Sharp đã phát triển kỹ thuật gia công khiến cho diện tích hai mặt tiếp xúc này bằng nhau. Tầng contact chính là một hợp chất có khả năng dẫn điện và có thể dùng các hợp chất hóa học để “cắt bớt” (hay còn gọi là etching) đi. Tuy nhiên, kỹ thuật này đỏi hỏi độ chính xác rất cao và có hóa chất đó có thể sẽ ăn mòn cả điện cực, không biết Sharp đã làm như thế nào ?

Theo như một số chuyên gia, Sharp đã thay đổi chất liệu điện cực – trước đây được làm từ kim loại. Bằng cách này, Sharp vẫn có thể giữ nguyên năng suất trong việc sản xuất cỡ lớn loại pin mặt trời này.

Nguyễn Xuân Truyền
Theo IT Media.

Bình Luận

comments