Pin mặt trời perovskite: Kỷ nguyên mới sau giới hạn silicon
Sau khi góp phần đưa điện mặt trời từ một công nghệ ngách trở thành một trong những nguồn điện rẻ nhất thế giới, Giáo sư Martin Green của UNSW đang chuẩn bị cho kỷ nguyên tiếp theo, khi pin mặt trời silicon dần tiến gần đến giới hạn hiệu suất.
Trên một khu đất gần các bãi biển phía Bắc Sydney, một thế hệ tấm quang điện mới đang được đặt ngoài trời, trực tiếp đối mặt với hơi muối biển, nắng nóng, độ ẩm và mưa. Chúng đang trải qua những phép thử khắc nghiệt của tự nhiên và thời gian. Có thể chúng sẽ hư hỏng rất nhanh, nhưng chính điều đó lại có thể mang đến giá trị lớn.
Đối với Giáo sư Scientia Martin Green của UNSW Sydney – người thường được gọi là “cha đẻ của quang điện hiện đại” – tương lai của điện mặt trời hiện nay không còn chỉ phụ thuộc vào việc lập thêm kỷ lục hiệu suất trong phòng thí nghiệm, mà phụ thuộc vào việc liệu thế hệ pin mặt trời mới có thể tồn tại bền bỉ ngoài môi trường thực tế hay không.
Giáo sư Green đã dành hơn 5 thập kỷ để góp phần biến điện mặt trời thành một nguồn điện giá rẻ. Công nghệ do ông phát triển hiện đang là nền tảng cho khoảng 90% công nghệ điện mặt trời trên toàn cầu.
Hiện nay, ông đang tham gia xây dựng một cơ sở thử nghiệm ngoài trời độc lập tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Nước của UNSW ở Manly Vale. Tại đây, các công nghệ điện mặt trời mới nhất – cụ thể là mô-đun quang điện perovskite – sẽ được kiểm tra độ bền trong điều kiện vận hành thực tế.
Giáo sư Green cho biết, dù các mô-đun này đã có mặt trên thị trường, kỳ vọng hiện nay là những mô-đun bị lỗi có thể được thay thế khi sản xuất được mở rộng và chi phí tiếp tục giảm.
“Các mô-đun silicon hiện thường được bán kèm bảo hành từ 25 đến 40 năm,” Giáo sư Green cho biết.
“Trong khi các mô-đun perovskite cũng đưa ra thời hạn bảo hành tương tự, khả năng một mô-đun thực sự tồn tại được lâu như vậy là rất thấp.”
Perovskite là một nhóm vật liệu tinh thể có thể được xếp chồng lên trên các tế bào quang điện silicon để hấp thụ nhiều ánh sáng mặt trời hơn, từ đó đẩy hiệu suất điện mặt trời lên mức cao hơn. Đây được xem là thế hệ công nghệ điện mặt trời tiếp theo.
Công nghệ mới này cho thấy hiệu suất rất ấn tượng trong phòng thí nghiệm, nhưng vẫn chưa chứng minh được khả năng vận hành bền bỉ trong nhiều thập kỷ ngoài môi trường thực tế.
Trong bảng xếp hạng hiệu suất pin mặt trời quốc tế mới nhất – được công bố tuần trước trên tạp chí Joule – Giáo sư Green ghi nhận một tế bào silicon diện tích lớn đạt hiệu suất 28,1% và một tế bào perovskite kích thước rất nhỏ, chưa phải mô-đun thương mại hoàn chỉnh, đạt hiệu suất 28,0%. Đây là lần đầu tiên kết quả tốt nhất của pin perovskite đơn tiếp giáp gần như ngang bằng với kết quả cao nhất của pin silicon.
Báo cáo này cũng ghi nhận mức hiệu suất 35,2% đối với tế bào tandem perovskite trên nền silicon.
Trong lĩnh vực pin mặt trời, chỉ vài điểm phần trăm hiệu suất cũng tạo ra khác biệt rất lớn. Hiệu suất cao hơn đồng nghĩa với việc tạo ra nhiều điện hơn trên cùng một diện tích mái nhà, cần ít đất hơn cho các trang trại điện mặt trời, đồng thời giảm chi phí lắp đặt và hạ tầng trên toàn hệ thống năng lượng.
Những số liệu mới nhất trong báo cáo cho thấy điện mặt trời đang tiến gần đến một bước chuyển công nghệ mới – nếu các tế bào quang điện này có thể đủ bền.
“Silicon, nền tảng chủ lực của cuộc cách mạng điện mặt trời toàn cầu, hiện đã đạt hiệu suất rất cao nhưng ngày càng tiến gần đến giới hạn,” Giáo sư Green nói.
“Và bất kỳ ai từng chế tạo tế bào perovskite đều biết chúng bất ổn đến mức nào.”
Thử nghiệm tương lai
Liệu perovskite có thể tạo ra bước nhảy vọt giống như silicon đã từng làm – từ một công nghệ đầy hứa hẹn trở thành hạ tầng năng lượng đáng tin cậy?
Đây chính là câu hỏi định hình cơ sở thử nghiệm ngoài trời này.
Giáo sư Green cho rằng tế bào tandem perovskite trên nền silicon là hướng đi thương mại quy mô lớn có triển vọng nhất đối với công nghệ điện mặt trời thế hệ mới.
“Tất cả các nhà sản xuất silicon đều có chương trình phát triển perovskite trên nền silicon của riêng mình,” ông cho biết.
Khi nhóm của ông bắt đầu thiết lập các kỷ lục với tế bào silicon, ông luôn yêu cầu mọi tuyên bố kỷ lục phải được chứng nhận bởi các phòng thí nghiệm kiểm định được công nhận.
“Nếu bạn tuyên bố lập kỷ lục, bạn phải có chứng nhận độc lập,” ông nói.
Sự kiên định trong việc xác minh độc lập này đã trở thành một nền tảng của ngành công nghiệp điện mặt trời hiện đại. Ngày nay, tinh thần đó tiếp tục được duy trì thông qua cơ sở thử nghiệm ngoài trời độc lập mà Giáo sư Green đang góp phần xây dựng cùng cựu học trò của mình, Tiến sĩ Jessica Jiang của UNSW.
Cơ sở này có thể lắp đặt tối đa 160 mô-đun, phục vụ cho tất cả các nhà sản xuất và nhiều thế hệ sản phẩm khác nhau.
Nhiều nhà sản xuất perovskite hiện là một phần của ngành công nghiệp điện mặt trời Trung Quốc đang phát triển rất nhanh – và cũng là những cựu học trò của Giáo sư Green.
Một trong những nhà sản xuất perovskite lớn nhất, Microquanta, được thành lập bởi hai cựu sinh viên của ông.
Một cựu sinh viên khác là Tiến sĩ Zhengrong Shi, nhà sáng lập Suntech. Việc thương mại hóa công nghệ điện mặt trời hiện đại của ông đã góp phần thúc đẩy sự trỗi dậy của Trung Quốc như một cường quốc sản xuất điện mặt trời toàn cầu.
“Jessica có mối quan hệ rất tốt trong ngành công nghiệp Trung Quốc, phần lớn vì họ là những cựu sinh viên hiện đang giữ các vị trí quan trọng trong ngành,” Giáo sư Green cho biết.
“Cô ấy có thể nhắn WeChat cho họ và ngay ngày hôm sau họ sẽ gửi một mô-đun qua đường bưu điện.”
Bằng cách so sánh các mô-đun từ nhiều công ty khác nhau, nhóm UNSW hy vọng có thể xác định đâu là các cơ chế hư hỏng phổ biến và đâu là những lỗi chỉ xuất hiện ở từng thiết kế riêng biệt.
“Chúng tôi sẽ có thể đưa ra một đánh giá có thẩm quyền về chất lượng thực sự của các sản phẩm thương mại này,” Giáo sư Green nói.
“Khi chúng hư hỏng ngoài thực địa, chúng tôi sẽ tìm hiểu nguyên nhân và cung cấp thông tin đó ngược lại cho nhà sản xuất,” ông cho biết.
“Chúng tôi thực sự tin rằng mình có thể thúc đẩy mọi thứ tiến lên nhanh hơn một chút.”
Giáo sư Martin Green tại Hội nghị và Triển lãm SNEC PV Power Expo and Conference thường niên ở Thượng Hải, Trung Quốc. (Nguồn ảnh: UNSW Sydney)
Từ cú sốc dầu mỏ đến các kỷ lục thế giới
Khi Giáo sư Green bắt đầu nghiên cứu pin mặt trời vào đầu thập niên 1970, công nghệ quang điện vẫn còn là một lĩnh vực ngách và rất đắt đỏ.
Chi phí không phải là vấn đề quá lớn trong ngành công nghiệp vũ trụ, nơi pin mặt trời đã được sử dụng trên tàu vũ trụ từ cuối thập niên 1950. Nhưng trên Trái Đất, công nghệ này quá đắt để được xem là một nguồn điện hằng ngày nghiêm túc.
Sau đó, các cuộc khủng hoảng dầu mỏ trong thập niên đó buộc các chính phủ phải suy nghĩ nghiêm túc về an ninh năng lượng, đặc biệt sau khi các lệnh cấm vận làm gián đoạn nguồn cung nhiên liệu trên khắp thế giới phương Tây.
“Đã có những hàng dài người xếp hàng tại các trạm xăng, xe cạn nhiên liệu – trong một thế giới bất ngờ lo ngại về sự phụ thuộc vào dầu mỏ,” Giáo sư Green nói.
Ông cho biết, từ thời điểm đó, điện mặt trời bắt đầu “có một suất tham gia” trong các nỗ lực giảm phụ thuộc vào dầu nhập khẩu.
“Họ phải kéo chi phí xuống thấp hơn hàng nghìn lần so với chi phí dùng để đưa pin mặt trời lên vệ tinh,” ông nói.
Vào thời điểm đó, điện hạt nhân chiếm lĩnh phần lớn trí tưởng tượng về tương lai năng lượng. Giáo sư Green kể rằng một người ủng hộ điện hạt nhân từng bác bỏ điện mặt trời, cho rằng nó có lẽ chỉ tạo ra “tác động như một con bọ chét trên lưng voi”.
Tuy nhiên, ông cho biết bầu không khí chính trị và khoa học bắt đầu thay đổi. Một chương trình tại Mỹ đã giúp định hình xu hướng quốc tế. Nhật Bản khởi động Dự án Sunshine. Châu Âu tiếp nối bằng những nỗ lực của riêng mình. Và Australia bắt đầu chương trình điện mặt trời của mình vào năm 1978.
Giáo sư Green gia nhập UNSW với vai trò giảng viên vào năm 1974 và thành lập nhóm nghiên cứu điện mặt trời không lâu sau đó. Đến đầu thập niên 1980, nhóm của ông đã được biết đến rộng rãi trên trường quốc tế.
Năm 1983, ông cùng cộng sự phát minh công nghệ PERC, viết tắt của Passivated Emitter and Rear Cell – tế bào quang điện có lớp thụ động hóa ở cực phát và mặt sau. Công nghệ này sau đó giúp nhóm tạo ra tế bào silicon đầu tiên trên thế giới đạt hiệu suất 18% được xác nhận chính thức, vượt qua kỷ lục trước đó là 16,5%.
Kết quả này đưa UNSW lên vị trí dẫn đầu trong một lĩnh vực có sự tham gia của các tập đoàn lớn tại Mỹ, các chương trình liên kết với NASA, phòng thí nghiệm Nhật Bản và nhiều trường đại học khác. Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Green đã nắm giữ kỷ lục hiệu suất tế bào silicon trong phần lớn 4 thập kỷ qua.
Và năm ngoái, điện mặt trời lần đầu tiên tạo ra nhiều điện hơn điện hạt nhân trên phạm vi toàn cầu, với khoảng cách giữa hai nguồn điện này đang tăng lên nhanh chóng.
“Chúng ta sẽ tạo ra phần lớn điện năng từ năng lượng mặt trời vào khoảng năm 2032.”
– Giáo sư Scientia Martin Green, UNSW
Nhanh hơn dự kiến
Vai trò của điện mặt trời ngày nay đã mở rộng, trở thành một nguồn lực quan trọng trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, sức hấp dẫn của nó vẫn gắn liền với những nền tảng từ thập niên 1970: một công nghệ liên quan trực tiếp đến an ninh năng lượng, khả năng chống chịu kinh tế và sự độc lập trước các thị trường nhiên liệu hóa thạch nhiều biến động.
Tại Australia, điện mặt trời hiện đã cung cấp một tỷ trọng đáng kể trong tổng sản lượng điện. Giáo sư Green cho biết đóng góp của điện mặt trời hiện đang tăng gấp đôi sau mỗi vài năm và có thể trở thành nguồn điện chủ đạo sớm hơn nhiều so với dự báo của nhiều người.
“Chúng ta sẽ tạo ra phần lớn điện năng từ năng lượng mặt trời vào khoảng năm 2032,” ông nói.
Ông cho rằng các dự báo năng lượng thận trọng đã nhiều lần đánh giá thấp tốc độ triển khai năng lượng tái tạo. Ngay cả những dự báo hiện nay đã có cái nhìn tích cực hơn về năng lượng tái tạo, theo ông, vẫn thường giả định rằng nguồn năng lượng này sẽ đóng vai trò nhỏ hơn so với những gì xu hướng tăng trưởng đang cho thấy.
Với một người đã dành hơn 5 thập kỷ không chỉ quan sát mà còn trực tiếp góp phần giúp điện mặt trời liên tục vượt xa kỳ vọng, ông không muốn đánh giá thấp những gì sẽ diễn ra tiếp theo.
“Mọi thứ đã vượt xa cả những dự báo của tôi, dù tôi vốn là một người lạc quan trong lĩnh vực này.”
Nguồn báo: https://www.unsw.edu.au/newsroom/news/2026/06/father-of-modern-solar-approaches-the-next-frontier
Bài Viết Liên Quan
