Neil Spann, giám đốc điều hành của nhà sản xuất năng lượng mặt trời màng mỏng Power Roll của Anh, giới thiệu một giải pháp công nghệ năng lượng xanh, có khả năng mở rộng thương mại cao sản xuất điện mặt trời, hiện đang phụ thuộc quá nhiều vào các module pin silicon.

Những thách thức trong pin điện mặt trời silicon

Khi năng lượng mặt trời chiếm tỷ trọng ngày càng cao trong hỗn hợp năng lượng, vật liệu silicon đóng vai trò thống trị trong sản xuất bảng điều khiển. Bảng pin điện silicon chiếm 95% trong tổng số 14 GW công suất phát module năng lượng mặt trời, được triển khai tại Vương quốc Anh.

Tổng số năng lượng mặt trời cung cấp cho 4% nhu cầu năng lượng của Anh. Chiến lược năng lượng năm 2022 của chính phủ kêu gọi tăng gấp 5 lần công suất điện trời lên 70 GW năm 2035.

Nhưng việc cung cấp thêm 56 GW trên cơ sở các module bảng in điện mặt trời silicon gây ra những tác động đáng kể đến xã hội, nền kinh tế và an ninh quốc gia, thúc đẩy nghiên cứu về những lựa chọn thay thế, sử dụng vật liêu perovskites tiên tiến hơn.

Việc sản xuất các tấm pin điện silicon rất tốn kém và phức tạp, Anh hiện không có nhiều năng lực sản xuất các tấm pin điện mặt trời silicon nên phải dựa hoàn toàn vào nguồn hàng nhập khẩu.

Sự tập trung về mặt địa lý của các chuỗi cung ứng toàn cầu đặt ra những thách thức về an ninh năng lượng và hậu cần kỹ thuật. Quy trình sản xuất những tấm pin mặt trời thường có lượng khí thải carbon cao, thời gian hoàn thành trung hòa carbon đối với pin mặt trời silicon, khoảng thời gian mà một tấm pin phải tạo ra điện bù đắp cho việc loại bỏ lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất ở mức 300 ngày đến 350 ngày.

Hơn thế nữa, độ cứng và khối lượng lớn của những tấm pin mặt trời silicon thường chỉ giới hạn ứng dụng cho các trang trại năng lượng mặt trời trên mặt đất và lắp đặt trên các mái nhà. Ước tính 1 gigawatt công suất phát điện mặt trời cần khoảng 2,5 triệu tấm bảng pin điện. Để đạt được 70 GW theo yêu cầu vào năm 2035 sẽ cần một diện tích rất lớn đất đai. Chính vì nguyên nhân này, Cơ quan Năng lượng Quốc tế đang kêu gọi đa dạng hóa phương thức sản xuất điện mặt trời.

Perovskites có phải là câu trả lời không?

Từ lâu, các nhà khoa học đã quan tâm đến tiềm năng sử dụng perovskite để sản xuất năng lượng mặt trời do có những đặc tính điện tử và siêu dẫn trong tinh thể vật chất, được tìm thấy rất nhiều trong lớp phủ Trái đất. Nguyên liệu perovskite rẻ tiền và có những đặc tính đặc biệt, có khả năng hấp thụ các photon ánh sáng, tạo ra dòng điện tử và hình thành dòng điện nên vật liệu này là một ứng viên lý tưởng thay thế silicon trong sản xuất năng lượng mặt trời.

Với sự quan tâm đặc biệt đến perovskites, các nhà sản xuất pin điện mặt trời đang tìm kiếm những phương thức sáng tạo để kết hợp chúng vào sản xuất PV và công ty Power Roll thành công chế tạo pin điện mặt trời siêu mỏng trên cơ sở perovskites.

Power Roll, có trụ sở chính tại Sunderland đã phát triển một màng năng lượng mặt trời nhẹ, linh hoạt, độc đáo có khả năng sản xuất điện xanh với chi phí cực thấp, rẻ hơn tới 20 lần so với các pin điện mặt trời PV linh hoạt hiện có.

Bằng phương pháp áp dụng các lớp phủ khác nhau cho thiết kế vi rãnh linh hoạt, màng mỏng Power Roll cũng có thể sử dụng lưu trữ năng lượng và sản xuất tụ điện. Màng PV microgroove của Power Roll phù hợp với các mái nhà không chịu lực, tích hợp vào tòa nhà, các phương tiện vận chuyển, ứng dụng di động, dự án điện không kết nối lưới quốc gia và hệ thống các cảm biến IoT.

Công nghệ cuộn đến cuộn

Doanh nghiệp được cấp bằng sáng chế cho một kỹ thuật áp dụng perovskites cho chất nền nhẹ, dẻo: polyetylen terephthalate (PET), tấm nhựa nhiệt dẻo công nghiệp. Chất nền PET được dập nổi các rãnh hình chữ v nhỏ hoặc “rãnh siêu nhỏ” rộng không quá 1 hoặc 2 micromét.

Các rãnh siêu nhỏ được in cực kỳ chính xác trên PET ổn định nhiệt bằng quy trình cuộn sang cuộn, hình thành các đường dẫn điện, được thiết kế để tối ưu hóa dòng điện tử và “điều chỉnh” đầu ra điện của module năng lượng mặt trời.

Thành của các rãnh siêu nhỏ được phủ bằng kim loại, đóng vai trò là điện cực, tiếp theo là lớp oxit đóng vai trò là lớp vận chuyển điện tử (ETL) và lớp vận chuyển lỗ hổng (HTL). Mực perovskite được in vào các rãnh trên các lớp ETL/HTL hình thành pin mặt trời siêu mỏng, linh hoạt, còn gọi là “màng năng lượng mặt trời” mỏng hơn 100 lần so với những tấm pin mặt trời silicon.

Phương thức sản xuất cuộn sang cuộn là một quy trình đơn giản và có thể mở rộng được sử dụng trong các lĩnh vực chi phí thấp như bao bì và là điều kiện then chốt cho chi phí thấp của phim năng lượng mặt trời. Điều quan trọng là kỹ thuật bỏ qua những bước sản xuất liên quan đến các công nghệ PV linh hoạt khác.

Sau khi phủ và ủ mực perovskite, quy trình tiếp theo quá trình gia nhiệt củng cố tính mềm dẻo, một lớp màng chắn kết dính áp lực được phủ lên trên cùng trong một quy trình liên tục để bảo vệ perovskite đã kết tinh. Có thể áp dụng những màng chắn an toàn và một tấm màng phía sau bằng giấy bạc, sử dụng phương pháp cán màng áp lực hoặc chân không.

Để nghiên cứu tỷ lệ chi phí trên độ bền, Power Roll đã thực hiện những thử nghiệm nhiều tuần với nhiều loại màng chắn và phương pháp cán màng khác nhau khi tiếp xúc với các điều kiện môi trường trong 6 tháng liên tiếp. Kết quả cho thấy, các loại phim có màng cản chi phí cao và cán màng chân không không bị suy giảm hiệu suất trong khi những phim có rào cản chi phí thấp và cán màng áp lực bị ảnh hưởng suy giảm công suất ở các cạnh riềm. Thử nghiệm bổ sung tiếp tục được thực hiện.

Phương pháp của Power Roll tạo ra PV perovskite với chi phí sản xuất rẻ hơn 5 lần và thời gian hoàn vốn carbon ngắn hơn tới 10 lần so với những tấm pin mặt trời silicon truyền thống.

Khả năng ứng dụng rộng rãi

Sự kết hợp giữa các rãnh siêu nhỏ và perovskite tạo ra màng pin điện mặt trời linh hoạt, nhẹ, hiệu quả với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ so với những tấm pin mặt trời silicon khối lượng lớn và nặng nề. Tính linh hoạt và quy trình lắp đặt đơn giản cho phép màng điện mặt trời perovskite có thể được lắp đặt ở mọi nơi, trong các tình huống không thể triển khai những tấm pin mặt trời silicon như tích hợp với cửa sổ, rèm, xe cộ, mái chịu lực thấp và bề mặt thẳng đứng. Trong khi các trang trại pin điện mặt trời chiếm một diện tích rất lớn không gian xanh, PV perovskite có thể tận dụng mọi khu vực địa hình, đã được phát triển cho khu dân cư hoặc sản xuất, thương mại.

Thị trường lớn nhất cho phim năng lượng mặt trời là trên các mái nhà thương mại và công nghiệp. Chỉ 1/4 trong số 2,5 tỷ mét vuông mái nhà hướng nam của Anh có thể tạo ra 30% nhu cầu năng lượng cho quốc gia này. Màng năng lượng mặt trời perovskite PV có thể được lắp đặt trên không gian mái nhà phi kết cấu với giá rẻ và ở quy mô lớn, giúp Anh đáp ứng những mục tiêu then chốt về an ninh năng lượng và không phát thải carbon.

Công nghệ đơn giản, linh hoạt là cơ hội cho phim năng lượng mặt trời vượt ra ngoài biên giới Anh. Quy trình sản xuất dễ tái tạo và có thể được cấp phép trên toàn cầu, sẽ đẩy nhanh quá trình phát triển năng lượng mặt trời. Với chưa đến 2% số mái nhà toàn cầu có lắp đặt năng lượng mặt trời, đây là cơ hội kinh doanh rất lơn cho PV perovskite nhẹ, chi phí thấp.

Phim năng lượng mặt trời linh hoạt, có thể được tích hợp trên tất cả các loại mái nhà và trên rất nhiều loại bề mặt. Công nghệ sẽ tăng cường khả năng sản xuất năng lượng sạch ở những khu vực trên thế giới hiện đang không có bất kỳ cơ sở hạ tầng năng lượng tái tạo quan trọng nào. Perovskite PV dự kiến ​​sẽ được triển khai ra thị trường ngay trong năm 2023 với khả năng áp dụng rộng rãi vào năm 2025 và sẽ là sản phẩm cách mạng hóa lĩnh vực năng lượng mặt trời.