Hiện nay, năng lượng đang là vấn đề thời sự của mọi quốc gia. Từ trước tới nay, con người vẫn sử dụng nguồn năng lượng sẵn có nguồn gốc từ các hóa thạch như: than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên. Những nguồn năng lượng này đang có nguy cơ cạn kiệt và có khả năng không đủ đáp ứng nhu cầu năng lượng của con người. Bên cạnh đó, ở cuối thế kỉ này, sự nóng lên toàn cầu làm tăng nhiệt độ trung bình của khí quyển trái đất lên 1,4oC-5,8oC. Việc hướng tới một dạng năng lượng sạch sẽ là một trong những thử thách lớn của thế kỷ XXI. PMT là một giải pháp đầy hứa hẹn để tận dụng một lượng lớn năng lượng mà trái đất nhận được mỗi giây từ mặt trời ội ngh năng lượng mới toàn cầu tại orn năm đ kh ng đ nh quyết t m của thế giới thay thế năng lượng điện truyền thống ng nguồn năng lượng mới trong đó có điện mặt trời vào năm ột số loại P T đ được chế tạo để thu được hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao nhưng thành công nhất là PMT dạng màng mỏng. Loại pin này được chế tạo bởi công nghệ lắng đọng có chi phí thấp và trên những nguyên liệu không quá đắt. Vì vậy, chúng có tiềm năng cung cấp nguồn năng lượng có sức cạnh tranh về mặt kinh tế cho những thập kỷ sau. Trong số các PMT dạng màng mỏng, PMT thế hệ mới dựa trên lớp hấp thụ CIGS đ đạt được hiệu quả cao nhất. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng kỷ lục của loại PMT này hiện nay là 20,3 % [99].
Dựa vào l ch sử phát triển và cấu tạo của các loại PMT, hiện nay người ta phân loại PMT thành bốn thế hệ.
Thế hệ thứ nhất: PMT thế hệ thứ nhất là PMT có lớp tiếp xúc p-n là chất bán dẫn, đại diện là PMT bán dẫn đơn tinh thể silicon (c-Si) được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn silicon n, p đặt tiếp xúc nhau trên phiến silicon. Hai loại bán dẫn n và p có mật
9
độ điện tử và lỗ trống khác nhau, nên khi đặt tiếp xúc nhau sẽ có sự khuếch tán điện tử từ n sang p và khuếch tán lỗ trống từ p sang n, làm xuất hiện sự chênh lệch điện tích ở ngay mặt tiếp xúc giữa 2 lớp n và p, tạo nên sự phân cực điện và điện trường xuất hiện ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của điện tử và lỗ trống.
Khi lớp tiếp xúc p-n được chiếu sáng, các cặp điện tử và lỗ trống được tạo thành ngay trên bề mặt của lớp tiếp xúc. Dưới tác dụng của điện trường, lỗ trống di chuyển về phía lớp bán dẫn p và điện tử di chuyển về phía bán dẫn n Điều này làm gia tăng hiệu thế giữa 2 lớp bán dẫn và tạo nên suất điện động của PMT. Suất điện động này phụ thuộc vào bản chất của 2 lớp bán dẫn, nhiệt độ, bước sóng của ánh sáng kích thích.
Ưu điểm của PMT thế hệ thứ nhất là hấp thụ tốt ánh sáng có quang phổ rộng, và điện trở nội của pin nhỏ do được chế tạo trên các tấm silicon.
Nhược điểm của thế hệ pin này là công nghệ chế tạo có giá thành cao, sử dụng nhiều năng lượng trong quá trình nuôi và cắt các tấm silicon. Sử dụng nhiều hóa chất độc hại trong quá trình chế tạo. Khi ở dạng thành phẩm, pin có hệ số kết hợp điện tử-lỗ trống cao.
Thế hệ thứ hai: P T được chế tạo theo công nghệ màng mỏng, các loại vật liệu tạo thành phong phú hơn như silic đa tinh thể, vô đ nh hình, CdTe (cadmium telurit), các hợp kim của CIGS (gồm đồng, indium, galium và selen) và các loại bán dẫn màng mỏng khác. PMT thế hệ này có hiệu suất không cao b ng thế hệ đầu nhưng giá thành rẻ hơn, diện tích phơi sáng lớn hơn, gọn nhẹ hơn, có thể tích hợp nhiều chức năng hơn.
Thế hệ thứ ba: PMT thế hệ thứ ba gồm các loại PMT nano tinh thể, PMT quang điện hóa (PEC), PMT polymer, PMT tẩm chất nhạy quang (Dye sensitized solar cell-DSSC) cũn gọi là pin Grọtzel Đ y là một thế hệ pin rất khỏc với 2 thế hệ P T đ trình bày ở trên, không dùng 2 loại bán dẫn p-n đặt tiếp xúc nhau, mà sử dụng một lớp ôxit kim loại (hoạt động như chất bán dẫn) hấp phụ chất nhạy quang và chất điện ly (hoặc bản thân của các phân tử có tính dẫn điện) để tách và truyền các hạt mang điện.
10
Nguyên tắc chung của thế hệ pin này là sử dụng bước nhảy HOMO-LUMO (Highest energy occupied moclecular orbita-lowest energy unoccupied molecular orbita) (phân tử màu hay polymer) được ghép với các vật liệu ôxit kim loại có năng lượng vùng dẫn thích hợp, tạo bẫy điện tử để dẫn điện tử ra mạch ngoài. Bản thân chất nhạy quang được hoàn nguyên lại b ng các chất điện ly dẫn ion hoặc dẫn lỗ trống. Trong thế hệ pin này, sự di chuyển có hướng của các hạt mang điện không theo điện trường mà theo cơ chế khuếch tán.
Ưu điểm của PMT thế hệ thứ ba là quy trình và công nghệ chế tạo đơn giản, sử dụng ít năng lượng trong quá trình chế tạo, có thể sản xuất các tấm PMT mỏng, nhẹ với giá thành thấp, đặc biệt riêng PMT DSSC có khả năng sản xuất điện năng trong điều kiện ánh sáng yếu Đ y chính là thế hệ PMT có ưu thế cạnh tranh lớn nhất với thế hệ PMT sử dụng phiến silicon.
Hạn chế chung của các PMT thế hệ này là vật liệu sử dụng có năng lượng vùng cấm cao, hiệu suất chuyển hóa năng lượng thấp, riêng pin polymer còn có hiện tượng giảm hiệu suất theo thời gian sử dụng.
Thế hệ thứ tư: PMT lai (hybrid) vô cơ-hữu cơ, được chế tạo từ vật liệu nano tinh thể phủ trên ma trận nhựa nền.
Ưu điểm của PMT thế hệ thứ tư là có kích thước mỏng, nên có thể kết hợp phủ nhiều lớp lên nhau để tạo thành pin hấp thu nhiều ánh sáng có ước sóng khác nhau nh m tăng hiệu suất chuyển hóa năng lượng. PMT thế hệ thứ tư được sản xuất theo quy trình lỏng-tự sắp xếp, áp dụng được các quy trình công nghệ đơn giản như in phun, in lụa giúp giảm giá thành.
Nhược điểm của thế hệ pin này là hiệu suất chuyển hóa năng lượng vẫn còn thấp so với PMT silicon, polymer sử dụng trong pin thế hệ này cũng thoái hóa theo thời gian, làm hiệu suất của pin giảm theo thời gian sử dụng.
Tình hình khai thác năng lƣợng mặt trời hiện nay
Công nghiệp quang điện đ trở thành một sản phẩm thương mại tr giá hàng tỷ đô la, sản phẩm quang điện đ vượt qua 1GW trong thời gian đầu năm và người ta hy vọng nó sẽ vượt qua 3GW vào năm 15. Th trường đ tăng với tốc độ
11
rất nhanh trong vài năm gần đ y ( -40% mỗi năm) Giá thành tính b ng đô la trên một Watt peak ($/Wp) đang tiếp tục giảm. Hình 1.1 mô tả mối quan hệ giữa giá cho một Wp và sản lượng Theo đồ th này ta thấy khi sản lượng tăng đến 100 GW thì giá thành chỉ tương đương với giá năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch [34]. Chúng ta hi vọng điều này sẽ xảy ra trong khoảng 15 năm nữa. Công nghệ PMT tinh thể silic là công nghệ khởi đầu cho PMT nhưng giá nguyên vật liệu lại đắt hơn rất nhiều Như vậy, các PMT màng mỏng sẽ trở thành ứng viên nhiều hứa hẹn hơn cho nền sản xuất PMT với số lượng lớn.
Hình 1.1. Đường biểu diễn mối quan hệ giá thành và sản lượng PMT [32].
Các PMT loại màng mỏng CIGS có lợi thế đáng kể về giá cả bởi vì đường biểu diễn mối quan hệ giá thành và sản lượng bắt đầu từ một mức thấp hơn so với công nghệ silic. Các màng mỏng được chế tạo với chi phí về căn ản là thấp hơn
Sự thành công về thương mại của PMT rất quan trọng bởi vì nó thúc đẩy sự phát triển trong tương lai Sự thành công đó lại phụ thuộc chủ yếu vào sự khuyến khích của chính phủ như: giảm giá thuế, trợ cấp lắp đặt. Hiện nay, các PMT thế hệ
12
mới loại màng mỏng CIGS chiếm dưới 10% th phần hàng hóa của pin quang điện.
Toàn bộ sản phẩm điện từ mặt trời vẫn không đáng kể so với lượng năng lượng mà thế giới yêu cầu. Vì vậy, hướng nghiên cứu mới về PMT loại màng mỏng là rất cấp thiết và có tính khả thi.
Pin mặt trời đến năm 2050
Đối mặt với tình trạng công nghiệp hóa và sự tăng d n số thế giới liên tục, loài người phải đương đầu với những thách thức về yêu cầu năng lượng. Từ năm 2000 đến năm 5 , yêu cầu năng lượng trung bình sẽ tăng từ 13 TW ( ) đến khoảng 3 TW Năng lượng của chúng ta tập trung chủ yếu vào năng lượng của nhiên liệu hóa thạch. Nhân tố thúc đẩy các năng lượng tái tạo sẽ làm tăng sự sản xuất khí gây hiệu ứng nhà kính, đặc biệt là khí CO2 tích tụ trong khí quyển của chúng ta. Từ cuối thế kỉ XIX, nồng độ CO2 tăng từ khoảng 280 phần triệu (ppm) đến 360 ppm [88]. Nồng độ CO2 tăng từ 450 đến 55 ppm được dự đoán sẽ gây ra sự thay đổi thời tiết. Với tốc độ tiêu thụ năng lượng hóa thạch hiện nay và nhu cầu sử dụng năng lượng toàn cầu tăng, chúng ta sẽ phải đối mặt với nguồn nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt và nồng độ CO2 tăng đến 75 ppm vào năm 5 , gấp 3 lần nồng độ trước [55]. Trong viễn cảnh này, trái đất có thể trở thành một nơi ít có cơ hội sống. Vấn đề ở đ y là con nguời phải làm gì để tận dụng được các nguồn năng lượng sạch đáp ứng được yêu cầu của xã hội và bảo vệ môi trường sống. Như vậy, năng lượng mặt trời là ứng cử viên tốt nhất có thể ngăn chặn các thảm hoạ khí hậu ở cuối thế kỉ này.
Những thách thức đặt ra
Việc phát triển loại PMT màng mỏng CIGS đang có những vướng mắc cần các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu tháo g Vấn đề lớn nhất hiện nay là các đặc trưng về hiệu năng hoạt động (d ng cực đại, thế cực đại, hiệu suất biến đổi năng lượng, hệ số lấp đầy) của loại pin này chưa cao khi sản xuất ở quy mô lớn và c n chưa ổn đ nh, tức là phụ thuộc rất nhiều yếu tố như thành phần, cấu trúc, công nghệ chế tạo Để giải quyết ài toán này, trước hết các nhà khoa học phải chế tạo được
13
các lớp riêng rẽ của cấu trúc pin với phẩm chất mong muốn, phải hiểu được mối liên quan giữa điều kiện chế tạo với tính chất vật liệu, giữa các tính chất của các lớp riêng rẽ với hiệu năng hoạt động của toàn ộ cấu trúc Trong l nh vực này, ngoài các nghiên cứu thực nghiệm như chế tạo mẫu ng các phương pháp khác nhau, đo đạc và khảo sát các đặc tính vật liệu, phương pháp mô phỏng cũng là một công cụ hữu hiệu 32, 33].
ài toán mô phỏng, các nhà nghiên cứu chú khảo sát ảnh hưởng các tham số đặc trưng của vật liệu lên hiệu năng làm việc của pin thông qua các mô hình vi mô về cơ chế hoạt động
ột loạt các hướng nghiên cứu khác cũng được các nhà khoa học tiến hành như: giảm chiều dày các lớp 36]; tăng cường độ ền cơ học của pin; n ng cao năng suất chế tạo; giảm giá thành và đảm ảo an toàn môi trường trong chế tạo 26, 50 Trên thế giới có một số trung t m nghiên cứu mạnh về PMT màng mỏng CIGS, điển hình là N E ( ), Đại học Tổng hợp Colorado ( ), Đại học Tổng hợp Uppsala (Thụy Điển) với kinh phí rất lớn, khoảng 1 đến triệu đô la cho một dự án Tại các trung t m này, các nhà khoa học ắt đầu nghiên cứu x y dựng các d y chuyền sản xuất, ên cạnh đó vẫn đang tiếp tục các nghiên cứu cơ ản theo các hướng đ nêu ở trên
Vấn đề thứ hai đặt ra là độ bền lâu dài của thiết b . Câu hỏi đặt ra là tại sao một số mô-đun giữ được chất lượng bền vững trong khi một số khác thì không? Để trả lời câu hỏi này, chúng ta cần hiểu biết tốt hơn về cơ chế suy giảm ở từng linh kiện, từng bộ phận cũng như trong cả mô-đun hoàn chỉnh. Ví dụ, việc thấm hơi nước qua vỏ bọc cũng làm suy giảm chất lượng. Nhiều nghiên cứu đ được tiến hành để điểu chỉnh và khảo sát chất lượng của các mô-đun với PMT CIGS ở ngoài môi trường. Cho tới ngày nay, mức độ hiểu biết về các nguyên nhân làm suy giảm chất lượng là chưa đầy đủ và thiếu đồng bộ giữa các nghiên cứu thiết b và mô-đun.
Tình hình nghiên cứu và sử dụng PMT tại Việt Nam đ được thể hiện khá đầy đủ tại ội thảo quốc tế về Điện mặt trời công nghiệp từ sản xuất chế tạo đến
14
khai thác hiệu quả tổ chức tại thành phố ồ Chí inh vào tháng 9 năm 8. Tại Việt Nam, nghiên cứu PMT đ từng được ắt đầu từ khá sớm trên đối tượng PMT silic Việc sử dụng PMT c n ở mức độ hạn chế Thời gian gần đ y, quy mô sử dụng PMT đang được phát triển nhanh chóng nhưng vẫn trên cơ sở loại pin silic thường được nhập từ nước ngoài dưới dạng án thành phẩm hoặc thành phẩm
Trước nhu cầu lớn về PMT, đặc iệt nhu cầu phục vụ các v ng s u, v ng xa, hải đảo, tầu đánh cá, gần đ y nhất, một số nhà máy sản xuất mô-đun PMT loại silic đ được khởi công x y dựng tại Việt Nam với d y chuyền công nghệ hoàn toàn được nhập khẩu ột số công ty trong nước cũng đ cho ra mắt các sản phẩm phục vụ ngành điện mặt trời như các thiết lưu điện, thiết chuyển đổi điện ăcqui thành điện lưới Như vậy điện mặt trời có nhu cầu và tiềm năng rất lớn ở nước ta Các thông tin trên cũng cho thấy PMT với lớp hấp thụ trên cơ sở màng mỏng CIGS là l nh vực rất mới mẻ ở Việt Nam