Trong một nghiên cứu mới đây, các nhà khoa học đã báo cáo về hiệu suất ổn định kỷ lục thế giới 13,6% của pin năng lượng mặt trời silic màng mỏng ba lớp chuyển tiếp, một phiên bản mới hơn của pin năng lượng mặt trời silic màng mỏng một lớp chuyển tiếp đã được sử dụng trong các sản phẩm thương mại từ những năm 1970.

Kỷ lục này vượt kỷ lục trước đó là 13,44% và các nhà nghiên cứu hy vọng rằng một vài cải tiến hợp lý sẽ đẩy nó lên trên 14%.

pin_nlmt_mang_mong

Ảnh hình học tôpô màng silic trên các cấu trúc tổ ong được các nhà nghiên cứu sử dụng để thiết kế pin năng lượng mặt trời mới. Ảnh: Sai, et al. © 2015 AIP Publishing

Nhóm nghiên cứu gồm các nhà nghiên cứu đến từ một số trung tâm nghiên cứu lớn nhất của Nhật Bản, bao gồm Viện Khoa học và công nghệ công nghiệp tiên tiến quốc gia (AIST), Hiệp hội Nghiên cứu công nghệ sản xuất quang điện (PVTEC), Sharp, Panasonic và Mitsubishi.

“Chúng tôi nghĩ rằng bài báo trình bày hai kết quả quan trọng”, Sai, một nhà nghiên cứu tại AIST, nói với Phys.org. “Đầu tiên là hiệu suất cao nhất thế giới của pin năng lượng mặt trời silic  màng mỏng dựa trên một tính năng bẫy ánh sáng tiên tiến. Thứ hai là tính năng bẫy ánh sáng tiên tiến này cho phép chúng tôi đạt được mật độ quang điện cao (34,1 mA/cm2) với lớp hấp thụ vi tinh thể chỉ dày 4 micromet. Với kết quả này, chúng tôi đã chứng minh thành công công nghệ bẫy ánh sáng có thể góp phần nâng dòng quang và hiệu suất của pin năng lượng mặt trời như thế nào”.

Do có rất nhiều loại hiệu suất khác nhau khi nói đến pin năng lượng mặt trời nên thường rất khó cho những người không chuyên sâu để so sánh trực tiếp. Như các nhà nghiên cứu giải thích trong bài báo đăng trên tạp chí Applied Physics Letters, hiệu suất ổn định là hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) có tính đến sự xuống cấp do ánh sáng gây ra. Sự khác biệt có thể là đáng kể, với hiệu suất ổn định khoảng 13% có PCE cao 16% – sự khác biệt là khoảng 20%.

“Đôi khi hiệu suất của pin năng lượng mặt trời gây ra sự nhầm lẫn do có một số định nghĩa”, Sai giải thích. “Nói chung, tất cả các loại pin năng lượng mặt trời đều có mức độ xuống cấp khác nhau khi tiếp xúc kéo dài với ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ, v.v… Tuy nhiên, hầu hết pin năng lượng mặt trời được đánh giá theo hiệu suất ‘đầu tiên’ của chúng. Nếu pin năng lượng mặt trời tương đối ổn định, chẳng hạn như pin năng lượng mặt trời silic tinh thể, sự đánh giá này có thể chấp nhận được. Tuy nhiên, silic vô định hình được biết là có sự xuống cấp đáng kể khi tiếp xúc kéo dài với ánh sáng, được gọi là hiệu ứng Steabler-Wronski. Để thực hiện một so sánh công bằng trong lĩnh vực này, chúng tôi so sánh hiệu suất pin năng lượng mặt trời sau một quy trình phơi sáng phổ biến”.

Nhiều yếu tố có khả năng góp phần vào sự xuống cấp do ánh sáng gây ra trong các pin năng lượng mặt trời silic mặc dù cơ chế chính xác vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Một phương pháp thiết kế để giảm thiểu sự xuống cấp do ánh sáng gây là chế tạo pin năng lượng mặt trời trên các chất nền có cấu trúc tổ ong. Cho đến nay, các cấu trúc tổ ong đã được sử dụng chủ yếu cho pin năng lượng mặt trời một lớp chuyển tiếp được làm từ một loại vật liệu bán dẫn duy nhất và do đó có thể hấp thụ ánh sáng chỉ có một bước sóng.

Trong bài báo mới đây, các nhà khoa học cho biết nghiên cứu gần đây cho thấy các cấu trúc tổ ong cũng có thể được sử dụng để phát triển pin năng lượng mặt trời đa lớp chuyển tiếp. Do loại pin này được chế tạo từ nhiều loại vật liệu bán dẫn, chúng có thể hấp thụ được nhiều bước sóng ánh sáng. So với pin năng lượng mặt trời một lớp chuyển tiếp, pin năng lượng mặt trời đa lớp chuyển tiếp được chế tạo ở đây có hiệu ứng bẫy ánh sáng rất cao do có cấu trúc tổ ong.

Để nâng cao hơn nữa hiệu suất này, các nhà nghiên cứu cũng kiểm soát cẩn trọng giai đoạn hình thành cấu trúc tổ ong, kết hợp với một màng chống phản xạ dựa trên một cấu trúc mắt sâu bướm và đặt vào ba lớp chuyển tiếp để tối đa hóa hiệu suất, trong số các chiến lược khác.

Khi thử nghiệm pin năng lượng mặt trời trong phòng thí nghiệm riêng của họ, các nhà nghiên cứu thu được hiệu xuất ban đầu và hiệu suất ổn định lần lượt là khoảng 14,5% và 13,8%, cho thấy sự suy giảm hiệu suất do ánh sáng gây ra ít hơn 5%. Pin năng lượng mặt trời do AIST thử nghiệm độc lập thu được hiệu suất ổn định thấp hơn một chút là 13,6%. Các nhà nghiên cứu giải thích rằng sự khác biệt này có thể phát sinh từ sự khác biệt của thiết bị mô phỏng mặt trời được sử dụng trong thí nghiệm: Phòng thí nghiệm riêng của các nhà khoa học sử dụng thiết bị mô phỏng mặt trời có hai bóng đèn, nhiều bước sóng xanh hơn so với thiết bị mô phỏng mặt trời có ba bóng đèn chính xác hơn được sử dụng trong phòng thí nghiệm của AIST.

Mặc dù đã thiết lập một kỷ lục mới, các nhà nghiên cứu tin rằng vẫn còn nhiều chỗ cần cải tiến, đặc biệt là bằng cách cải thiện hiệu suất của lớp trên cùng của pin năng lượng mặt trời ba lớp và bằng cách giải quyết sự không phù hợp quang phổ. Nếu được cải thiện, họ dự đoán rằng phương pháp này sẽ đạt được hiệu suất ổn định trên 14% trong tương lai gần. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu dự định áp dụng kỹ thuật mới này vào bẫy ánh sáng cho các pin năng lượng mặt trời silic wafer thông thường.

N.L.H – vista (theo Sciencedaily, 1/6/2015)