PGS.TS Nguyễn Trần Thuật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã vừa chế tạo thành công loại vật liệu mới làm pin Mặt trời với chi phí thấp, hiệu suất cao.

Chế tạo pin Mặt trời với chi phí thấp

Oxit đồng I (Cu2O) được biết đến như là một loại vật liệu bán dẫn lâu đời nhất, và cũng được coi là tiềm năng cho ứng dụng của pin Mặt trời. Đây là vật liệu không độc hại, hấp thụ tốt trong vùng bức xạ khả kiến và hồng ngoại gần.

Đồng còn là nguyên tố dồi dào trên Trái đất và chi phí vật liệu thấp. Tuy nhiên, cho đến hiện tại, có khá ít công bố khoa học về pin Mặt trời dựa trên Cu2O.

PGS.TS Nguyễn Trần Thuật cho biết, gần đây, pin Mặt trời dựa trên tiếp giáp dị thể loại p Cu2O và loại n ZnO (Oxit kẽm) với hiệu suất chuyển đổi năng lượng tương đối thấp, mặc dù hiệu suất lý thuyết cho vật liệu loại này vào khoảng 18%.

Một khía cạnh hấp dẫn khác của Cu2O là khả năng kết hợp với các oxit khác để tạo thành hợp chất oxit cấu trúc delafossite dẫn điện loại p trong suốt. Các ứng dụng của CuFeO2 cấu trúc delafossite dẫn điện loại p khá giới hạn, lý do là việc tổng hợp ra cấu trúc delafossite khá khó khăn. Cũng vì lý do khác như CuFeO2 thích hợp làm màng dẫn điện trong suốt (TCO) hơn là lớp hấp thụ trong pin Mặt trời.

Ngay cả khi vật liệu CuFeO2 cấu trúc delafossite dẫn điện loại p được tổng hợp thành công, chúng ta vẫn phải kết hợp với một loại màng mỏng dẫn điện loại n khác để thu được lớp tiếp giáp pn mong muốn cho pin Mặt trời.

Trong nghiên cứu của PGS. TS Nguyễn Trần Thuật, lớp dẫn điện loại n được sử dụng kết hợp có luôn khả năng truyền qua cao, đó là oxit kẽm pha tạp nhôm (ZnO:Al hay AZO).

Hiện nay trên thế giới, oxit dẫn điện trong suốt chủ yếu là các hợp kim đôi hoặc ba trong đó có một hoặc hai kim loại được sử dụng như vật liệu chính.

Màng mỏng trong suốt dẫn điện ngày nay đóng vai tro quan trọng trong ứng dụng quang điện tử, có thể kể đến như: Điện cực trong suốt dẫn điện cho pin Mặt trời, điện cực trong suốt cho màn hình hiện thị phẳng, cửa sổ thông minh phản xạ nhiệt, transistor màng mỏng trong suốt và điốt phát quang.

AZO có điện trơ suất tương đối thấp, trong khoảng 10-3Ôm.cm đồng thời nguồn nguyên liệu chế tạo re và không độc hại.

Một số kỹ thuật phủ màng đã được TS Thuật sử dụng để chế tạo màng mỏng AZO như lăng đọng pha hơi hóa học, phun nhiệt phân, lắng đọng xung laser (PLD), phún xạ xung magnetron và phún xạ magnetron thông thường.

Theo PGS.TS Nguyễn Trần Thuật, so sánh với những kỹ thuật khác, phương pháp phún xạ magnetron thông thường đã cho thấy nhiều ưu điểm như bề mặt màng có diện tính băng phẳng lớp và tốc độ lăng đọng màng tương đối cao. Hơn thế nữa, màng AZO có thể chế tạo trên đế deo và đế polymer sử dụng cho ứng dụng pin Mặt trời.

Với tên đề tài “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng dạng Delafossite CuFeO2 bằng phuơng pháp phún xạ nhằm ứng dụng chế tạo pin năng lượng Mặt trời”, anh mong muốn chế tạo được pin Mặt trời dựa trên các chất có rất nhiều và rẻ tiền như đồng, sắt và kẽm trên đế kính.

“Hai oxit của đồng và sắt khi kết hợp với nhau sẽ tạo ra bán dẫn loại p cấu trúc dạng lớp Delafossite, trong khi đó oxit của kẽm pha tạp với nhôm sẽ tạo ra bán dẫn loại n. Và khi hai loại bán dẫn này chồng lên nhau sẽ tạo ra pin Mặt trời, có khả năng chế tạo diện tích lớn trên đế kính hoặc đế kim loại với chi phí rất thấp”, PGS.TS Nguyễn Trần Thuật cho biết.

Sáng tạo tăng hiệu suất cho pin Mặt trời

Dự định là như vậy, tuy nhiên, khi thực hiện chế tạo pin Mặt trời, các nhà khoa học gặp nhiều khó khăn. Khó khăn đầu tiên là việc thiết lập quy trình chế tạo vì khi đó cơ sở vật chất và máy móc mới xong, nhóm nghiên cứu phải làm từ trạng thái nguyên thủy nhất.

Tiếp theo mới là khó khăn về mặt chuyên môn. Là nhà khoa học có nhiều kinh nghiệm chế tạo pin Mặt trời trên phiến silic và màng mỏng silic từ trước, nhưng khi chuyển sang bán dẫn oxit thì vẫn phải nghiên cứu lại từ đầu.

Để tăng hiệu suất cho pin Mặt trời, PGS.TS Nguyễn Trần Thuật đưa thêm một ý tưởng nhỏ, tạo một lớp đệm bán dẫn loại p nữa giữa lớp bán dẫn hợp chất oxit đồng nhôm với điện cực kim loại.

Lớp đệm này có vai trò là lớp chặn khiến chỉ một loại hạt tải điện đi qua, khuyến khích việc phân ly hạt tải và tăng đuợc hiệu suất của pin Mặt trời. Mặc dù chưa thể đi đến quy trình công nghệ chế tạo pin Mặt trời ổn định với quy mô lớn, nhưng những nghiên cứu tiếp theo của vật liệu hợp chất oxit Delafossite lại đem đến nhiều hướng phát triển hơn, đặc biệt là tính chất nhiệt điện trở của loại vật liệu này.

Để làm pin Mặt trời màng mỏng, khó khăn là các hệ thống máy móc hiện có chưa đáp ứng hoàn toàn đòi hỏi kỹ thuật, đặc biệt là cần phải chế tạo các màng mỏng bán dẫn khác nhau mà không đựợc đưa ra khỏi môi truờng chân không.

Do đó, mong muốn cao nhất của PGS.TS Nguyễn Trần Thuật là có thể kết hợp được với những đối tác có sẵn cơ sở vật chất để thực hiện tiếp, hoặc chuyển giao công nghệ, lập phương án chuyển nhượng sở hữu trí tuệ cho các đối tác muốn nhận.

Nếu được áp dụng thành công tại quy mô chế tạo công nghiệp, nghiên cứu này cho phép chế tạo pin Mặt trời trên đế kính hoặc đế kim loại với diện tích lớn (ví dụ với khổ từ 2m2 đến 4m2).

Nhờ sử dụng những kim loại rẻ tiền như đồng, sắt, có thể thay thế bởi các kim loại hóa trị 3 khác như nhôm, kẽm, chi phí nguyên liệu thô gần như bằng 0. Khi đó chi phí để tạo ra thành phẩm chỉ là chi phí quy trình, ví dụ như khấu hao tài sản các máy móc chân không sử dụng hay điện nuớc và nhân lực vận hành.

So với các loại pin Mặt trời màng mỏng khác như silic vô định hình thì pin Mặt trời đề cập trong giải pháp hữu ích sử dụng nguồn nguyên vật liệu rẻ hơn, còn so với các pin Mặt trời dạng CIGS, CdTe thì chúng lại không dùng các nguyên tố độc hại và đắt tiền. Như vậy khi so sánh trong các truờng hợp thì pin Mặt trời trong giải pháp hữu ích đều có lợi thế cạnh tranh riêng cho việc ứng dụng thực tiễn.