Một cuộc thảo luận ngắn gọn về các loại pin mặt trời

Năng lượng mặt trời từng là nguồn dự trữ của tàu vũ trụ tiên tiến và một số thiết bị lạ mắt, nhưng giờ đây điều đó không còn đúng nữa. Trong thập kỷ qua, năng lượng mặt trời đã chuyển đổi từ một nguồn năng lượng thích hợp thành trụ cột chính của bối cảnh năng lượng toàn cầu.

Trái đất liên tục phải hứng chịu khoảng 173.000TW bức xạ mặt trời, gấp hơn 10 lần nhu cầu điện trung bình toàn cầu.

[1] Điều này có nghĩa là năng lượng mặt trời có khả năng đáp ứng mọi nhu cầu năng lượng của chúng ta.

Trong nửa đầu năm 2023, sản lượng điện mặt trời chiếm 5,77% tổng sản lượng điện của Mỹ, tăng từ mức 4,95% vào năm 2022.

[2] Mặc dù nhiên liệu hóa thạch (chủ yếu là khí đốt tự nhiên và than đá) sẽ chiếm tới 60,4% sản lượng điện của Hoa Kỳ vào năm 2022,

[3] Nhưng ảnh hưởng ngày càng tăng của năng lượng mặt trời và sự phát triển nhanh chóng của công nghệ năng lượng mặt trời đáng được quan tâm.

 

Các loại pin mặt trời

 

Hiện nay, có ba loại pin mặt trời chính (còn được gọi là tế bào quang điện (PV)) trên thị trường: tinh thể, màng mỏng và công nghệ mới nổi. Ba loại pin này đều có những ưu điểm riêng về hiệu quả, giá thành và tuổi thọ.

 

01 pha lê

Hầu hết các tấm pin mặt trời trên mái nhà tại nhà đều được làm từ silicon đơn tinh thể có độ tinh khiết cao. Loại pin này đã đạt được hiệu suất hơn 26% và tuổi thọ hơn 30 năm trong những năm gần đây.

[4] Hiệu suất hiện tại của các tấm pin mặt trời hộ gia đình là khoảng 22%.

 

Silicon đa tinh thể có giá thấp hơn silicon đơn tinh thể nhưng kém hiệu quả hơn và có tuổi thọ ngắn hơn. Hiệu suất thấp hơn có nghĩa là cần nhiều tấm hơn và nhiều diện tích hơn.

 

Pin mặt trời dựa trên công nghệ gallium arsenide (GaAs) đa điểm nối hiệu quả hơn pin mặt trời truyền thống. Những tế bào này có cấu trúc nhiều lớp và mỗi lớp sử dụng một vật liệu khác nhau, chẳng hạn như indium gallium phosphide (GaInP), indium gallium arsenide (InGaAs) và germanium (Ge), để hấp thụ các bước sóng ánh sáng mặt trời khác nhau. Mặc dù các tế bào đa chức năng này được kỳ vọng sẽ đạt được hiệu quả cao nhưng chúng vẫn phải chịu chi phí sản xuất cao cũng như hoạt động nghiên cứu và phát triển chưa trưởng thành, điều này hạn chế tính khả thi thương mại và ứng dụng thực tế của chúng.

 

02 phim

Dòng sản phẩm quang điện màng mỏng phổ biến trên thị trường toàn cầu là mô-đun quang điện cadmium Telluride (CdTe). Hàng triệu mô-đun như vậy đã được lắp đặt trên khắp thế giới, với công suất phát điện cao nhất hơn 30GW. Chúng chủ yếu được sử dụng để sản xuất điện ở quy mô tiện ích ở Hoa Kỳ. nhà máy.

 

Trong công nghệ màng mỏng này, mô-đun năng lượng mặt trời rộng 1 mét vuông chứa ít cadmium hơn pin niken-cadmium (Ni-Cd) cỡ AAA. Ngoài ra, cadmium trong các mô-đun năng lượng mặt trời liên kết với Tellurium, chất không hòa tan trong nước và vẫn ổn định ở nhiệt độ cao tới 1.200°C. Những yếu tố này giảm thiểu nguy cơ độc hại khi sử dụng cadmium Telluride trong pin màng mỏng.

 

Hàm lượng Tellurium trong vỏ trái đất chỉ là 0,001 phần triệu. Giống như bạch kim là một nguyên tố hiếm, độ hiếm của Tellurium có thể ảnh hưởng đáng kể đến giá thành của mô-đun cadmium Telluride. Tuy nhiên, có thể giảm bớt vấn đề này thông qua các hoạt động tái chế.

Hiệu suất của mô-đun cadmium Telluride có thể đạt 18,6% và hiệu suất của pin trong môi trường phòng thí nghiệm có thể vượt quá 22%. [5] Sử dụng pha tạp asen để thay thế pha tạp đồng, vốn đã được sử dụng từ lâu, có thể cải thiện đáng kể tuổi thọ của mô-đun và đạt đến mức tương đương với pin pha lê.

 

03Công nghệ mới nổi

 

Các công nghệ quang điện mới nổi sử dụng màng siêu mỏng (dưới 1 micron) và kỹ thuật lắng đọng trực tiếp sẽ giảm chi phí sản xuất và cung cấp chất bán dẫn chất lượng cao cho pin mặt trời. Những công nghệ này dự kiến ​​sẽ trở thành đối thủ cạnh tranh với các vật liệu đã có từ trước như silicon, cadmium Telluride và gallium arsenide.

 

[6] Có ba công nghệ màng mỏng nổi tiếng trong lĩnh vực này: thiếc sunfua kẽm đồng (Cu2ZnSnS4 hoặc CZTS), kẽm photphua (Zn3P2) và ống nano cacbon đơn vách (SWCNT). Trong môi trường phòng thí nghiệm, pin mặt trời đồng indium gallium selenide (CIGS) đã đạt hiệu suất cực đại ấn tượng là 22,4%. Tuy nhiên, việc nhân rộng mức hiệu quả như vậy ở quy mô thương mại vẫn là một thách thức.

[7]Tế bào màng mỏng perovskite halogenua chì là một công nghệ năng lượng mặt trời mới nổi hấp dẫn. Perovskite là một loại chất có cấu trúc tinh thể điển hình có công thức hóa học ABX3. Nó là một khoáng chất màu vàng, nâu hoặc đen có thành phần chính là canxi titanat (CaTiO3). Pin mặt trời song song perovskite dựa trên silicon quy mô thương mại do công ty Oxford PV của Anh sản xuất đã đạt hiệu suất kỷ lục 28,6% và sẽ đi vào sản xuất trong năm nay.

[8] Chỉ trong vài năm, pin mặt trời perovskite đã đạt được hiệu suất tương tự như hiệu suất của pin màng mỏng cadmium Telluride hiện có. Trong quá trình nghiên cứu và phát triển ban đầu của pin perovskite, tuổi thọ là một vấn đề lớn, ngắn đến mức chỉ có thể tính bằng tháng.

Ngày nay, tế bào perovskite có tuổi thọ từ 25 năm trở lên. Hiện nay, ưu điểm của pin mặt trời perovskite là hiệu suất chuyển đổi cao (hơn 25%), chi phí sản xuất thấp và nhiệt độ cần thiết cho quá trình sản xuất thấp.

 

Xây dựng các tấm pin mặt trời tích hợp

 

Một số pin mặt trời được thiết kế để chỉ thu được một phần quang phổ mặt trời trong khi cho phép ánh sáng khả kiến ​​đi qua. Những tế bào trong suốt này được gọi là pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm (DSC) và ra đời ở Thụy Sĩ vào năm 1991. Các kết quả R&D mới trong những năm gần đây đã cải thiện hiệu quả của DSC và có thể không lâu nữa những tấm pin mặt trời này sẽ có mặt trên thị trường.

 

Một số công ty truyền các hạt nano vô cơ vào các lớp thủy tinh polycarbonate. Các hạt nano trong công nghệ này chuyển các phần cụ thể của quang phổ sang mép kính, cho phép phần lớn quang phổ đi qua. Ánh sáng tập trung ở rìa kính sau đó được khai thác bởi pin mặt trời. Ngoài ra, công nghệ ứng dụng vật liệu màng mỏng perovskite vào cửa sổ năng lượng mặt trời trong suốt và tường ngoài tòa nhà hiện đang được nghiên cứu.

 

Nguyên liệu cần thiết cho năng lượng mặt trời

Để tăng cường sản xuất năng lượng mặt trời, nhu cầu khai thác các nguyên liệu thô quan trọng như silicon, bạc, đồng và nhôm sẽ tăng lên. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tuyên bố rằng khoảng 12% silicon cấp luyện kim (MGS) của thế giới được xử lý thành polysilicon cho các tấm pin mặt trời.

 

Trung Quốc là nước đóng vai trò lớn trong lĩnh vực này, sản xuất khoảng 70% MGS của thế giới và 77% nguồn cung polysilicon vào năm 2020.

 

Quá trình chuyển đổi silicon thành polysilicon đòi hỏi nhiệt độ rất cao. Ở Trung Quốc, năng lượng cho các quá trình này chủ yếu lấy từ than đá. Tân Cương có nguồn tài nguyên than dồi dào và chi phí điện thấp, sản lượng polysilicon của nơi này chiếm 45% sản lượng toàn cầu.

 

[12]Việc sản xuất các tấm pin mặt trời tiêu thụ khoảng 10% lượng bạc của thế giới. Hoạt động khai thác bạc diễn ra chủ yếu ở Mexico, Trung Quốc, Peru, Chile, Úc, Nga và Ba Lan và có thể dẫn đến các vấn đề như ô nhiễm kim loại nặng và buộc cộng đồng địa phương phải di dời.

 

Khai thác đồng và nhôm cũng đặt ra những thách thức về sử dụng đất. Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ lưu ý rằng Chile chiếm 27% sản lượng đồng toàn cầu, tiếp theo là Peru (10%), Trung Quốc (8%) và Cộng hòa Dân chủ Congo (8%). Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) tin rằng nếu mức sử dụng năng lượng tái tạo toàn cầu đạt 100% vào năm 2050, nhu cầu về đồng từ các dự án năng lượng mặt trời sẽ tăng gần gấp ba.

[13]Kết luận

 

Liệu một ngày nào đó năng lượng mặt trời sẽ trở thành nguồn năng lượng chính của chúng ta? Giá năng lượng mặt trời đang giảm và hiệu quả đang được cải thiện. Trong khi đó, có nhiều con đường công nghệ năng lượng mặt trời khác nhau để bạn lựa chọn. Khi nào chúng ta sẽ xác định được một hoặc hai công nghệ và làm cho chúng thực sự hoạt động? Làm thế nào để tích hợp năng lượng mặt trời vào lưới điện?

 

Sự phát triển của năng lượng mặt trời từ chuyên dụng đến phổ thông làm nổi bật tiềm năng của nó trong việc đáp ứng và vượt quá nhu cầu năng lượng của chúng ta. Trong khi pin mặt trời tinh thể hiện đang thống trị thị trường, những tiến bộ trong công nghệ màng mỏng và các công nghệ mới nổi như cadmium Telluride và perovskites đang mở đường cho các ứng dụng năng lượng mặt trời tích hợp và hiệu quả hơn. Năng lượng mặt trời vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức, như tác động môi trường của việc khai thác nguyên liệu thô và tắc nghẽn trong sản xuất, nhưng xét cho cùng, đây là một ngành phát triển nhanh, sáng tạo và đầy hứa hẹn.

 

Với sự cân bằng hợp lý giữa tiến bộ công nghệ và thực hành bền vững, sự tăng trưởng và phát triển của năng lượng mặt trời sẽ mở đường cho một tương lai năng lượng sạch hơn, dồi dào hơn. Vì điều này, nó sẽ cho thấy sự tăng trưởng đáng kể trong cơ cấu năng lượng của Hoa Kỳ và dự kiến ​​sẽ trở thành một giải pháp bền vững toàn cầu.