Thay thế công nghệ truyền thống
Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời được coi là nguồn năng lượng xanh, sạch và bền vững. Tấm pin năng lượng mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện: Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào vật liệu bán dẫn sẽ tạo ra dòng điện. Bên trong tấm pin, một lớp vật liệu bán dẫn đặc biệt (thường là silicon) sẽ làm cho các hạt electron di chuyển khi ánh sáng mặt trời chạm vào, từ đó tạo ra dòng điện. Dòng điện này có thể được sử dụng để thắp sáng, chạy quạt, sạc điện thoại…
Pin năng lượng mặt trời trên nền vật liệu silicon được chế tạo lần đầu tiên vào năm 1954. Hiện nay, Trung Quốc dẫn đầu về nghiên cứu, phát triển công nghệ và triển khai quy mô lớn các nhà máy điện mặt trời. Nước này kiểm soát phần lớn chuỗi cung ứng toàn cầu, từ nguyên liệu silicon đến sản phẩm cuối cùng và là nhà sản xuất tấm pin mặt trời lớn nhất thế giới.
Theo nhóm nghiên cứu, công nghệ sản xuất pin năng lượng mặt trời do các nước trên thế giới nắm giữ. Tại Việt Nam, phần lớn công trình năng lượng tái tạo phải nhập khẩu tấm pin từ nước ngoài, dẫn đến chi phí cao, khó chủ động trong công nghệ nguồn.
Với mục tiêu làm chủ công nghệ cốt lõi trong sản xuất pin, nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM do PGS.TS Đào Vĩnh Ái làm chủ nhiệm đề tài đã chế tạo thành công pin mặt trời dị thể a-Si:H/c-Si (HIT). Nghiên cứu này hướng đến làm chủ công nghệ nền tảng trong sản xuất tế bào quang điện tại Việt Nam, có khả năng triển khai ở quy mô công nghiệp.
Ưu thế vượt trội
Pin năng lượng mặt trời là thiết bị chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng. Trong số các công nghệ sản xuất pin hiện nay, pin silicon phổ biến nhất vì silicon chiếm khoảng 26% khối lượng vỏ trái đất và có đặc tính phù hợp để chế tạo linh kiện quang điện.
Nhóm nghiên cứu cho biết, trong lĩnh vực pin mặt trời, có hai dạng cấu trúc chính: Đồng thể và dị thể. Pin đồng thể sử dụng cùng một loại vật liệu (thường là silicon tinh thể) cho cả hai lớp tiếp xúc. Tiêu biểu là công nghệ PERL với hiệu suất tối đa đạt 25%. Ngược lại, pin dị thể kết hợp hai loại vật liệu có đặc tính khác nhau như silicon vô định hình (a-Si:H) và silicon tinh thể (c-Si), giúp cải thiện hiệu suất lên tới 26,7% (đối với dòng pin HIT-IBC). Công nghệ này cũng đơn giản hóa quy trình chế tạo.
Cấu trúc pin dị thể mà nhóm nghiên cứu lựa chọn có nhiều ưu điểm vượt trội: Không yêu cầu công đoạn quang khắc phức tạp, dễ dàng triển khai dây chuyền sản xuất công nghiệp và chế tạo ở nhiệt độ thấp hơn (khoảng 200 độ C), giúp tiết kiệm vật liệu và tăng tuổi thọ pin. Đặc biệt, loại pin này có thể sử dụng đế mỏng hơn, giảm thiểu tiêu hao tài nguyên silicon - một yếu tố quan trọng trong bối cảnh phát triển bền vững.
Chi phí sản xuất pin dị thể dạng HIT cũng thấp hơn so với công nghệ truyền thống khoảng 0,31 USD/Wp, trong khi pin PERL hoặc HIT-IBC có giá thành khoảng 0,35 USD/Wp. Đây là lợi thế cạnh tranh lớn nếu được triển khai thương mại ở quy mô lớn.
Sau quá trình nghiên cứu và tối ưu hóa quy trình, nhóm đã chế tạo thành công bốn tấm pin mặt trời dị thể a-Si:H/c-Si có kích thước lớn hơn 4x4 cm2. Các thông số kỹ thuật cho thấy hiệu suất hoạt động rất khả quan. Dòng điện ngắn mạch đạt 38,7 mA/cm2, hệ số lấp đầy đạt 78%, với công suất điện tối đa mỗi pin tạo ra đạt 0,21W.
Những con số này chứng tỏ mỗi cm2 diện tích pin có thể tạo ra dòng điện mạnh trong điều kiện chiếu sáng tiêu chuẩn. Điều này cho thấy pin có khả năng hấp thụ ánh sáng hiệu quả, hoạt động ổn định và có mức tổn hao thấp. Đây là yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng một tấm pin năng lượng mặt trời.
PGS.TS Đào Vĩnh Ái cho biết, nhóm còn chế tạo thành công 5 lớp màng điện cực trong suốt với điện trở suất thấp, đạt độ truyền quang trong vùng khả kiến lên tới trên 85%. Điều này có nghĩa pin có thể hấp thụ phần lớn ánh sáng nhìn thấy, từ đó chuyển đổi thành điện năng với hiệu suất cao hơn nhiều so với các loại pin chỉ hấp thụ một phần nhỏ ánh sáng.
Đáng chú ý, quy trình chế tạo và các số liệu hiệu suất của pin đã được Phòng thí nghiệm Công nghệ Vật liệu ICDL, Đại học Sungkyunkwan (Hàn Quốc) kiểm chứng. Điều này xác nhận độ tin cậy khoa học và tính ứng dụng thực tiễn của công trình.
Kết quả nghiên cứu đã được Sở Khoa học và Công nghệ TPHCM nghiệm thu, đánh giá đạt yêu cầu và có triển vọng ứng dụng cao. Các mẫu pin kích thước 4x4 cm2 hiện tại có thể được đóng gói dưới dạng mô-đun phòng thí nghiệm, sử dụng làm công cụ trực quan, sinh động trong giảng dạy các môn học liên quan đến năng lượng tái tạo, vật lý, hóa học hoặc tích hợp vào chương trình giáo dục STEM.
Theo nhóm nghiên cứu, việc đưa sản phẩm nghiên cứu vào giảng dạy không chỉ góp phần nâng cao chất lượng giáo dục, mà còn tạo điều kiện cho học sinh, sinh viên tiếp cận sớm với công nghệ mới, tăng cường kỹ năng thực hành và tư duy sáng tạo - đúng với định hướng đổi mới giáo dục hiện nay.
Theo Công ty Cổ phần Tekjoy, đơn vị chuyên tư vấn, thiết kế, lắp đặt hệ thống cơ điện và điện mặt trời, công nghệ chế tạo pin dị thể của nhóm có khả năng triển khai sản xuất ở quy mô công nghiệp nếu được đầu tư hoàn thiện quy trình đóng gói (packaging) để tạo ra tấm pin năng lượng mặt trời hoàn chỉnh.
