Đột phá với tấm pin năng lượng mặt trời làm từ vật liệu không ngờ

Trong cuộc đua đưa công nghệ năng lượng mặt trời vượt qua giới hạn của các vật liệu truyền thống như silicon và sự bất ổn của perovskite, một vật liệu bất ngờ đã xuất hiện: Kesterite – Một hợp chất của đồng, kẽm, thiếc và lưu huỳnh (CZTS).

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học New South Wales, Australia, do Giáo sư Xiaojing Hao dẫn đầu, đã phá kỷ lục thế giới khi tạo ra tấm pin năng lượng mặt trời làm từ kesterite với hiệu suất tốt nhất từ trước đến nay là 13,2%. Để so sánh, hiệu suất của tấm quang năng làm từ vật liệu này trước đây chỉ đạt 11,4%.

"Các module silicon đã gần đạt đến giới hạn hiệu quả lý thuyết của chúng, vì vậy, điều chúng tôi đang cố gắng làm là trả lời câu hỏi đến từ ngành công nghiệp quang năng về việc thế hệ tấm pin tiếp theo sẽ được tạo ra từ vật liệu gì", Giáo sư Hao cho biết.

Kesterite là một loại khoáng chất tự nhiên bao gồm đồng, kẽm, thiếc và lưu huỳnh (CZTS). Từ lâu, nó đã được công nhận về tiềm năng trong các ứng dụng pin năng lượng mặt trời.

Kesterite là loại vật liệu vật liệu lý tưởng cho pin năng lượng mặt trời vì nó thân thiện với môi trường, giá thành thấp, phù hợp với định hướng tương lai của ngành quang điện. Ảnh: ACAP

Khoáng chất này dồi dào, không độc hại và tiết kiệm chi phí để sản xuất, khiến nó trở thành ứng cử viên hấp dẫn cho công nghệ năng lượng mặt trời thế hệ tiếp theo. Nhưng, bước đầu tiên cần phải làm là vượt qua những thách thức trong sản xuất kesterite.

Những nỗ lực trước đây nhằm khai thác hết tiềm năng của kesterite đã bị cản trở bởi các khiếm khuyết hình thành trong quá trình sản xuất. Nhóm do Giáo sư Hao dẫn dắt đã giải quyết thách thức này bằng cách bổ sung hydro vào hỗn hợp.

Kỹ thuật này, được gọi là thụ động hóa, có hiệu quả trung hòa các tác động có hại của các khiếm khuyết và cho phép tấm pin năng lượng mặt trời bằng kesterite chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng với hiệu suất được cải thiện đáng kể.

Bước đột phá này dựa trên 6 năm nghiên cứu của nhóm UNSW, ban đầu đạt được hiệu suất 11,4% cho các pin CZTS. Giờ đây, với sự ra đời của thụ động hóa hydro, họ đã phá vỡ kỷ lục trước đó và mở ra những khả năng mới cho công nghệ năng lượng mặt trời kesterite.

Ngoài ra, điều khiến kesterite trở thành một lựa chọn thực sự hấp dẫn là nó cho thấy sự cân bằng giữa tính bền vững và hiệu suất. Không giống như các tấm pin perovskite có thể phân hủy trong vòng 1 năm, các tấm pin CZTS hứa hẹn hoạt động ổn định trong hơn một thập kỷ.

Kesterite cũng rất phù hợp để kết hợp với các vật liệu khác nhau để thu được quang phổ ánh sáng mặt trời rộng hơn và đạt hiệu suất cao hơn.

Nhóm nghiên cứu lạc quan rằng bước đột phá này sẽ mở đường cho việc thương mại hóa pin năng lượng mặt trời kesterite vào năm 2030.

"Vẫn còn nhiều việc phải làm để tìm ra cách giảm thiểu hơn nữa các khiếm khuyết mà chúng tôi tìm thấy trong CZTS, trong quá trình chế tạo hoặc thông qua các phương pháp xử lý sau chế tạo", Giáo sư Hao thừa nhận.

"Nhưng chúng tôi biết rằng đây là một vật liệu tốt. CZTS chính là vật liệu lý tưởng cho pin năng lượng mặt trời vì nó thân thiện với môi trường, tiết kiệm chi phí và thể hiện sự ổn định lâu dài", bà nói.

"Mục đích cuối cùng là chúng tôi muốn làm cho điện năng được tạo ra theo cách rẻ hơn và xanh hơn", nhà nghiên cứu cho biết.

Minh Đức (Theo Ecoticias, Interesting Engineering)