Bí mật phía sau tấm pin mặt trời “ba lớp” phá kỷ lục

Một bước tiến đáng kể trong lĩnh vực năng lượng mặt trời đã được ghi nhận khi các nhà nghiên cứu Thụy Sĩ tại EPFL và CSEM phát triển thành công một tế bào quang điện ba lớp với hiệu suất được chứng nhận đạt 30,02%. Kỷ lục này không chỉ vượt qua mức 27,1% trước đó mà còn mở ra triển vọng mới cho các thiết kế năng lượng mặt trời có khả năng mở rộng và hiệu suất cao.

Pin mặt trời ba lớp (54 cm2).

Hầu hết các tấm pin mặt trời đạt kỷ lục trước đây thường bị giới hạn bởi chi phí vật liệu cao hoặc chỉ có thể hoạt động trong điều kiện thí nghiệm lý tưởng. Tuy nhiên, thiết bị mới kết hợp một tế bào đáy bằng silicon với hai lớp perovskite được cấu tạo dưới dạng màng mỏng nhằm đạt hiệu suất cao mà không làm phức tạp quá trình sản xuất.

Tác giả chính của nghiên cứu, Kerem Artuk, nhấn mạnh rằng thiết kế và quy trình chế tạo thông minh đã cho phép họ đạt được hiệu suất tương đương với các tế bào quang điện đa lớp III-V đắt tiền, thường được sử dụng trong không gian. Ông cho biết, những tế bào này có thể đạt hiệu suất lên tới 37% nhưng có giá thành cao gấp 1.000 lần so với các tế bào trên mặt đất.

Kỷ lục mới này không chỉ mang tính lý thuyết mà còn có thể ứng dụng thực tiễn, đặc biệt trong thị trường năng lượng mặt trời tăng mạnh hiện nay. Hiệu suất cao hơn đồng nghĩa với việc giảm số lượng tấm pin cần thiết để đạt được cùng một sản lượng điện, từ đó cải thiện lợi nhuận cho các dự án điện mặt trời, cả quy mô lớn và điện mặt trời mái nhà.

Bước đột phá được thực hiện

Nhóm nghiên cứu đã giải quyết hai thách thức chính trong thiết kế ba lớp: điện áp thấp ở lớp trên cùng và dòng điện yếu ở lớp giữa. Họ đã cải tiến quá trình hình thành tinh thể perovskite, giúp nâng cao điện áp ở lớp tế bào trên cùng lên 1,4 volt dưới ánh sáng mặt trời. Đồng thời, phương pháp chế tạo ba bước mới đã cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng trong dải hồng ngoại gần, nơi chiếm phần lớn năng lượng mặt trời.

Hình ảnh các tế bào quang điện ba lớp có diện tích 1, 4 và 54 (cm2), thể hiện quá trình mở rộng quy mô.

Christophe Ballif, một thành viên trong nhóm nghiên cứu, cho biết: “Việc đạt được hiệu suất hơn 30% trong một thiết bị ba lớp là một thành tựu đáng kể, đặc biệt khi so với mức 13% trong lần trình diễn đầu tiên vào năm 2018”. Ông cũng nhấn mạnh rằng tế bào quang điện ba lớp có tiềm năng đạt hiệu suất cao hơn 40%.

Mặc dù chi phí vẫn là rào cản lớn nhất đối với pin mặt trời hiệu suất cao, thiết kế mới sử dụng silicon và perovskite, cả hai đều có giá thành phải chăng hơn và dễ sản xuất với quy mô lớn. Sự kết hợp này có thể giúp các tấm pin năng lượng mặt trời hiệu suất cao trở nên khả thi hơn cho các hộ gia đình và trang trại năng lượng mặt trời.

Christian Wolff, một chuyên gia trong lĩnh vực năng lượng mặt trời, nhận định rằng dự án này minh họa sức mạnh của việc kết hợp khoa học cơ bản với bí quyết kỹ thuật của Thụy Sĩ. Nghiên cứu đã thiết lập một tiêu chuẩn mới cho các tấm quang điện đa lớp, mở ra cơ hội cho việc triển khai thực tế các hệ thống năng lượng mặt trời trong tương lai gần. Nhóm nghiên cứu hiện đang tập trung vào việc cải thiện độ bền và khả năng sản xuất quy mô lớn để hiện thực hóa những tiềm năng này.