Những tiến bộ trong công nghệ pin năng lượng mặt trời
Công việc của một nhà nghiên cứu ở Đại học Sydney nhằm mục đích cách mạng hóa ngành năng lượng tái tạo.
Cuộc chiến chống lại biến đổi khí hậu có thể đang tăng tốc, nhưng có vẻ như pin mặt trời silicon năng lượng xanh đang đạt đến giới hạn của chúng. Tin tốt? Giáo sư Anita Ho-Baillie đang nghiên cứu một chất rẻ hơn, dễ xử lý hơn và thậm chí còn hiệu quả hơn.
Có một lò phản ứng nhiệt hạch khổng lồ trên bầu trời hành tinh của chúng ta. Chỉ trong một giờ, lò phản ứng này cung cấp đủ năng lượng cho bề mặt Trái đất để cung cấp cho tất cả nhu cầu điện của nhân loại trong cả năm. Vấn đề là, năng lượng của Mặt trời đến dưới dạng bức xạ mặt trời nhưng chúng ta cần biến nó thành điện năng.
Cách trực tiếp nhất để thực hiện chuyển đổi ngay bây giờ là sử dụng các tấm pin mặt trời, nhưng có những lý do khác khiến chúng là niềm hy vọng lớn của năng lượng tái tạo.
Thành phần quan trọng của chúng, silicon, là chất phong phú thứ hai trên Trái đất sau oxy. Vì các tấm pin có thể được đặt ở những nơi cần nguồn điện – trên nhà, nhà máy, tòa nhà thương mại, tàu biển, phương tiện giao thông đường bộ – nên ít cần phải truyền tải điện năng qua các cảnh quan; và sản xuất hàng loạt có nghĩa là các tấm pin mặt trời hiện nay quá rẻ nên tính kinh tế của việc sử dụng chúng đang trở nên không thể chối cãi.
Theo báo cáo triển vọng năng lượng năm 2020 của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, các tấm pin mặt trời ở một số địa điểm đang sản xuất điện thương mại rẻ nhất trong lịch sử.
Và nó đang cải tiến nên ít vấn đề hơn nhờ những tiến bộ mang tính chuyển đổi trong công nghệ lưu trữ.
Vượt Qua Giới Hạn Của Năng Lượng Mặt Trời
Nếu bạn đang mong đợi, thì đây là nó: nhưng các tấm pin mặt trời silicon đang đạt đến giới hạn thực tế về hiệu quả của chúng do một số định luật vật lý khá bất tiện. Các tế bào năng lượng mặt trời silicon thương mại hiện chỉ có hiệu suất khoảng 20% (mặc dù lên đến 28% trong môi trường phòng thí nghiệm. Giới hạn thực tế của chúng là 30%, nghĩa là chúng chỉ có thể chuyển đổi khoảng một phần ba năng lượng nhận được của Mặt trời thành điện năng).
Điều này có nghĩa là công nghệ bảng điều khiển năng lượng mặt trời phải sớm phát triển. Một nhà lãnh đạo thế giới đang giúp sự tiến hóa đó diễn ra là Giáo sư Anita Ho-Baillie, người gần đây đã được bổ nhiệm làm Chủ tịch John Hooke mới nhậm chức của Khoa học nano, một vị trí được tài trợ từ thiện bởi John Hooke CBE quá cố. Trò chuyện với cô ấy tại phòng thí nghiệm của Viện Nano của Đại học Sydney, cô ấy chỉ ra một vấn đề khác khi sử dụng silicon.
Một pin mặt trời perovskite. Tế bào perovskite dễ sản xuất hơn và rẻ hơn nhiều so với tế bào silicon, nhưng chúng dễ bị phân hủy bởi độ ẩm và nhiệt.
“Các tấm pin mặt trời cần silicon tinh khiết 99,9999%, nhưng bạn bắt đầu với một loại đá không tinh khiết có tên là quartzit. Quá trình thanh lọc phải được thực hiện trong bốn bước và mỗi bước bao gồm việc làm nóng đến 1000 độ C. Khi tôi nhận ra, tôi đã ‘wow. Đó là rất nhiều năng lượng “.”
Tuy nhiên, một tấm pin mặt trời sẽ tạo ra năng lượng không phát thải nhiều hơn nhiều lần so với năng lượng được sử dụng trong sản xuất.
Bạn có thể không mong đợi một chuyên gia thế giới về kỹ thuật vật liệu, vật lý bán dẫn, vật lý ứng dụng và hóa học là người vui tươi và hướng ngoại, nhưng đó là cách Ho-Baillie. Nghe cô ấy nói về sự nghiệp của mình (bao gồm cả thời gian làm việc tại British Aerospace, viễn thông Alcatel Australia và các tổ chức liên quan đến năng lượng mặt trời khác nhau), bạn sẽ có cảm giác về một người nhanh chóng được mọi người trong ngành công nhận như một tài sản đáng có.
Nền tảng của tất cả là sự tháo vát và tính độc lập khó kiếm được liên quan đến việc bàn giao Hồng Kông cho Trung Quốc vào năm 1997. Khi cha mẹ của cô đã sắp xếp trước khi bàn giao để chuyển đến Sydney từ Hồng Kông, nơi Ho-Baillie được sinh ra, họ đã gửi thiếu niên. Ho-Baillie ở phía trước để tiếp tục con đường học vấn của mình.
Ho-Baillie nói: “Cha mẹ tôi không học đại học. “Nhưng mẹ tôi nói,‘ hãy làm ‘tiến sĩ’ vì con sẽ trở thành Tiến sĩ Ho và mẹ có thể nói với bạn bè của mình. Và cô ấy đã làm thế. ”
Tự lập trong một căn hộ của mình và không biết ai, Ho-Baillie đã tìm đến đất nước mới của mình và xuất sắc trong học tập, bất chấp sự cô lập của mình. “Tôi cũng đã nấu rất nhiều món spag bol,” cô ấy nói bây giờ không thực sự thích thú với kỷ niệm này.
Khi cô phát triển chuyên môn của mình, một trong những đóng góp đầu tiên về năng lượng mặt trời của cô liên quan đến một khía cạnh khác ít được biết đến của việc sử dụng các tấm pin mặt trời; không phải tất cả các tấm pin mặt trời đều tương thích.
Để có được sản lượng tối đa từ một dãy bảng điều khiển năng lượng mặt trời, tất cả các pin mặt trời phải được kết nối với các tế bào khác phù hợp với đặc điểm tự nhiên của chúng, một quá trình tốn nhiều công sức. Đối với luận án đại học của mình, Ho-Baillie đã tạo ra một thuật toán cho phép các tế bào hỗn hợp được kết nối với nhau mà vẫn đạt được sản lượng tối đa.
Ho-Baillie nói: “Hãy tưởng tượng một nhà máy sản xuất hàng trăm tế bào mỗi phút, và lạy Chúa, đó là rất nhiều công việc phân loại mà họ không còn phải làm nữa.
Điện được tạo ra từ các electron. Rắc rối là hầu hết các electron được gắn vào nguyên tử. Tất cả các phương pháp sản xuất điện khác nhau đều nhằm đưa các electron ra khỏi nguyên tử của chúng. Pin mặt trời làm điều này bằng cách sử dụng năng lượng của ánh sáng mặt trời. Ánh sáng mặt trời chiếu vào silicon hoặc perovskite làm bật các electron lỏng lẻo được dẫn ra mạch bên ngoài.
Perovskite: Tương Lai Của Năng Lượng Tái Tạo
Giờ đây, Ho-Baillie đã chuyển ý định tạo ra sự tiến hóa có thể tái tạo tiếp theo. Chất đã trở thành trọng tâm nghiên cứu của cô và nghiên cứu trên khắp thế giới, là một phần của nhóm hợp chất tinh thể gọi là perovskite; cụ thể là perovskite halogenua kim loại.
Giống như silicon, chất tinh thể này có hoạt tính quang học, có nghĩa là khi nó bị ánh sáng chiếu vào, các electron trong cấu trúc của nó trở nên đủ kích thích để tách khỏi nguyên tử của chúng (sự giải phóng electron này là cơ sở của tất cả quá trình phát điện, từ pin đến nhà máy điện hạt nhân). Cho rằng điện có hiệu lực, một dòng conga của các electron, khi các electron rời từ silicon hoặc perovskite được chuyển thành một dây dẫn, kết quả là sinh ra dòng điện.
Một lợi ích tức thì của perovskites đối với Ho-Baillie là nó tiết kiệm thời gian. “Nó chỉ dễ xử lý hơn silicon,” cô nói. “Tôi từng mất bốn tuần để tạo ra một tế bào silicon trong phòng thí nghiệm. Với perovskite, chỉ mất hai ngày ”.
Đó là bởi vì perovskite là một hỗn hợp đơn giản của các dung dịch muối được đun nóng từ 100 đến 200 độ để thiết lập các đặc tính quang hoạt của nó.
Giống như mực, nó có thể được in lên các bề mặt và có thể uốn cong theo cách mà silicon cứng không làm được. Được sử dụng với độ dày ít hơn tới 500 lần so với silicon, nó cũng siêu nhẹ và có thể bán trong suốt. Điều này có nghĩa là nó có thể được áp dụng cho tất cả các loại bề mặt như trên điện thoại và cửa sổ. Tuy nhiên, niềm phấn khích thực sự là xung quanh tiềm năng sản xuất năng lượng của perovskite.
Ho-Baillie trong phòng thí nghiệm của cô ấy. Nhóm của Ho-Baillie gần đây đã sản xuất ra tế bào perovskite đầu tiên từng vượt qua bài kiểm tra tiêu chuẩn công nghiệp bảng điều khiển năng lượng mặt trời do Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế đặt ra. Và nó thông qua một cách dễ dàng.
Vượt Qua Thách Thức Lớn Nhất Của Perovskite – Suy Thoái
Các thiết bị perovskite đầu tiên vào năm 2009 chỉ chuyển đổi 3,8% ánh sáng mặt trời thành điện năng. Đến năm 2020, hiệu suất là 25,5%, gần với kỷ lục phòng thí nghiệm của silicon là 27,6%. Có cảm giác rằng hiệu quả của nó có thể sớm đạt 30%. Ho-Baillie nói: “Con người đã mất 40 năm để tăng gấp đôi hiệu quả của silicon. “Perovskite bắt kịp silicon chỉ trong 10 năm.”
Nếu bạn đang mong đợi một “nhưng” về perovskite, thì có một vài điều. Một thành phần của mạng tinh thể perovskite là chì. Số lượng rất nhỏ, nhưng độc tính tiềm ẩn của chì có nghĩa là nó là một điều cần cân nhắc. Vấn đề thực sự là perovskite không được bảo vệ dễ bị phân hủy do nhiệt và độ ẩm, không giống như các tấm silicon thường được bán với bảo hành 25 năm.
Ho-Baillie nói: “Đó là thách thức lớn nhất. “Bạn thực sự muốn nó tồn tại lâu dài nếu bạn định đặt nó trên các tòa nhà hoặc trong các trang trại năng lượng mặt trời.”
Công việc mà Ho-Baillie và nhóm của cô ấy đang làm trong lĩnh vực này gần đây đã thu hút được sự chú ý của thế giới. Mục tiêu là để một tế bào perovskite vượt qua bài kiểm tra nhiệt và độ ẩm quan trọng trong ngành dành cho các tấm pin mặt trời của Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế. Thiết bị Ho-Baillie là thiết bị đầu tiên vượt qua, và nó đã vượt qua một cách thoải mái.
Sự đổi mới khiến nó trở nên khả thi là cán mỏng tế bào perovskite bằng thủy tinh và loại polyme được sử dụng trong các cửa sổ lắp kính hai lớp. Nó rẻ, dễ làm và hiệu quả.
Ho-Baillie nói: “Điều này có hiệu quả vì khi perovskite bị phá vỡ, nó bắt đầu giải phóng khí – chúng tôi thực sự gọi nó là thoát khí. “Chúng tôi nhận thấy, nếu bạn ép tế bào lên một mảnh thủy tinh bằng polyme để tế bào bị bịt kín, khí sẽ không thể bay đi đâu được. Điều này ngăn cản sự thoát ra ngoài, và do đó, sự cố hoàn toàn không xảy ra. ”
Điều này đã thúc đẩy rất nhiều triển vọng của perovskite và chứng kiến Ho-Baillie trở nên được các nhà nghiên cứu quốc tế trích dẫn nhiều. Thời điểm cũng tốt, bởi vì vài năm qua đã cung cấp một cái gì đó có thể tạo ra hiệu suất pin mặt trời tốt nhất từng thấy. Nó được gọi là silicon perovskite song song trong đó hai chất được xếp vào cùng một tế bào để tạo ra điện áp cao hơn mức có thể tự tạo ra.
Điều này hoạt động vì silicon đối phó tốt hơn với sóng ánh sáng năng lượng thấp và perovskite hoạt động tốt với ánh sáng năng lượng cao hơn. Perovskite cũng có thể được điều chỉnh để hấp thụ các bước sóng ánh sáng khác nhau – đỏ, lục, lam. Với việc sắp xếp cẩn thận silicon và perovskite, điều này có nghĩa là mỗi tế bào sẽ biến nhiều quang phổ ánh sáng thành năng lượng hơn.
Các con số rất ấn tượng: một lớp duy nhất có thể hiệu quả 33%; chồng hai tế bào, nó là 45%; ba lớp sẽ cho hiệu suất 51%. Những con số này, nếu chúng có thể được thực hiện trên phương diện thương mại, sẽ tạo ra một cuộc cách mạng về năng lượng tái tạo.
Khi được hỏi về phần thú vị nhất trong công việc của cô ấy, Ho-Baillie không ngần ngại, “Các sinh viên,” cô ấy nói. “Tôi thích làm việc với những người trẻ tuổi sáng giá như vậy. Họ sẽ có thể ra ngoài và thay đổi thế giới. ”
Điều này cũng tương tự với công việc diễn ra trong phòng thí nghiệm của Ho-Baillie tại Trung tâm khoa học nano của trường đại học. Hoàn toàn có thể nó sẽ thay đổi thế giới.
Do George Dodd viết cho Tạp chí Cựu sinh viên Sydney. Nhiếp ảnh của Louise M Cooper.
Lithaco
Nguồn: The University of Sydney
Bài Viết Liên Quan
