PIN MẶT TRỜI PEROVSKITE – GIẢI PHÁP THAY THẾ TIẾT KIỆM TRONG CUỘC KHỦNG HOẢNG NĂNG LƯỢNG

Pin mặt trời Perovskite ra mắt giúp giảm đáng kể giá thành của pin mặt trời. Tuy nhiên, trước khi sản xuất hàng loạt loại pin này với phương pháp in tiết kiệm chi phí, các thiết bị đòi hỏi phải linh hoạt. Trong blog này, chúng tôi sẽ trình bày lý do tại sao các tấm pin mặt trời cần phải uốn cong, lợi ích của tính linh hoạt và ý nghĩa khoa học đằng sau việc đạt được điều này.

“Tôi hy vọng sẽ tạo ra một thế giới luôn có sẵn các tấm pin năng lượng mặt trời giống như pin điện”

–Melissa Davis–

Theo thống kê của Forbes cho biết, chi phí trung bình của các tấm pin mặt trời là 16.000 đô-la và việc lắp đặt chúng sẽ khiến bạn mất thêm 15.000 đến 25.000 đô-la. Do đó, vốn đầu tư ban đầu cao là lý do chính khiến hầu hết các hộ gia đình không muốn sử dụng pin năng lượng mặt trời. Tấm pin năng lượng mặt trời lớn nhất trên thị trường sử dụng các tinh thể silicon lớn.

Những thiết bị này đòi hỏi một quy trình sản xuất nhiều bước, chi phí cao và tiêu tốn nhiều năng lượng. Do sự tốn kém này, các nhà khoa học đang nghiên cứu vật liệu perovskite để thay thế cho silicon. Một lợi ích khác của việc chế tạo pin mặt trời perovskite là khả năng đàn hồi cơ học của chúng khi uốn cong. Tính linh hoạt của chúng giúp giảm đáng kể chi phí lắp đặt.

Tương lai tốt đẹp hơn với pin mặt trời perovskite

Melissa hình dung một tương lai phát triển hơn nơi điện thoại di động có thể được sạc ngay trên bãi biển bằng cách sử dụng khăn tắm như một tấm pin năng mặt trời. Ở một tương lai như vậy, các thủy thủ có thể sử dụng cánh buồm giống như một thiết bị thu năng lượng gió và năng lượng mặt trời.

Trong điều kiện gió nhẹ, tàu thuyền vẫn có thể đi xa mà không cần mở động cơ diesel. Đây có lẽ không còn là điều gì xa lạ khi tại The Washington Clean Energy Testbeds, các nhà khoa học đã có thể sử dụng máy in cuộn (roll-to-roll printer) để in mực perovskite lên các vật liệu dẻo.

“Pin mặt trời Perovskites là giải pháp tương lai cho cuộc khủng hoảng năng lượng. Có rất nhiều năng lượng mặt trời có sẵn mà chúng ta chưa thể sử dụng do các rào cản về chi phí, và tôi muốn thay đổi điều này.”

–Melissa Davis–

Pin mặt trời perovskite là gì?

Từ ‘‘perovskite’’ mô tả một cấu trúc tinh thể cụ thể. Vật liệu này có thể được tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng canxi-titanat và được phát hiện lần đầu tiên ở Dãy núi Ural vào năm 1839. Cấu trúc của perovskite có thể được tái tạo với nhiều nguyên tố khác. Tuy nhiên, một tập hợp con của perovskite được gọi là perovskite halogen kim loại đã cho thấy nhiều lợi ích nhờ vào các đặc tính quang điện tuyệt vời của chúng. Đặc tính bán dẫn khiến chúng trở thành vật liệu thích hợp để sản xuất pin mặt trời.

Pin mặt trời perovskite có gì đặc biệt?

Mặc dù là một công nghệ mới nổi, các tinh thể perovskite đã chứng tỏ được hiệu suất ngang ngửa với các tế bào năng lượng mặt trời silicon. Các perovskite halogen kim loại có lợi thế bổ sung là chi phí sản xuất thấp hơn đáng kể so với silicon. Chi phí này có thể giảm hơn nữa nhờ giải pháp in roll-to-roll, tương tự như dây chuyền lắp ráp in báo. Công nghệ in roll-to-roll in từng lớp tuần tự một cách nhanh chóng để tạo thành thiết bị hoàn chỉnh với tỷ lệ sản xuất cao.

Về Melissa Davis

Melissa Davis hiện đang là Ứng cử tiến sĩ ngành Kỹ thuật Công nghiệp tại Trường Đại học Kỹ thuật FAMU-FSU. Melissa đã tìm thấy một vấn đề mà cô ấy muốn giải quyết và được đảm bảo bởi quỹ tài trợ từ Chương trình Học bổng Nghiên cứu Sau đại học NSF và cũng được hỗ trợ bởi cố vấn của cô – Tiến sĩ Yu. Điều này giúp cô tập trung vào một chủ đề mà cô tin rằng có thể tạo ra sự khác biệt thực sự cho thế giới.

Cô thực hiện nghiên cứu của mình tại Viện Vật liệu Hiệu suất cao (HPMI) dưới sự chỉ đạo của Tiến sĩ Zhibin Yu và cộng tác với Tiến sĩ Rebekah Sweat. Melissa hy vọng nghiên cứu của cô sẽ cho thấy những tiềm năng của pin mặt trời perovskite dành cho các ứng dụng thương mại.

Vấn đề đặt ra

Trong khi in roll-to-roll giúp giảm chi phí, điều này đòi hỏi sự linh hoạt trong pin mặt trời perovskite. Các tế bào năng lượng mặt trời phải chịu được áp suất cơ học trong quá trình sản xuất vì nó bị uốn cong xung quanh drum. Tuy nhiên, nghiên cứu về các đặc tính cơ học và dự đoán hiệu suất cấu trúc của pin mặt trời perovskite đang ở giai đoạn sơ khai. Ngoài ra, việc nghiên cứu các trạng thái xuống cấp cơ học cần có thiết bị kiểm tra chuyên dụng, mất nhiều chi phí và thời gian.

Một thách thức lớn đối với pin mặt trời là chống lại sự nứt vỡ. Nứt vỡ làm giảm hiệu quả và giảm vòng đời của sản phẩm. Rủi ro về các vết nứt có thể làm tăng chi phí giao hàng và lắp đặt dẫn đến việc tăng rủi ro đối với một dự án năng lượng mặt trời. Khả năng giảm nứt và tăng tính linh hoạt cho vật liệu perovskite sẽ ảnh hưởng đáng kể đến tác động của công nghệ năng lượng tái tạo này. Hình 1 thể hiện những gì chúng ta cần từ một pin mặt trời linh hoạt.

Hình 1: Tấm pin năng lượng mặt trời linh hoạt

“Trong một giờ, lượng năng lượng mặt trời chiếu vào trái đất đủ để cung cấp cho nhu cầu của toàn bộ dân số thế giới trong cả năm”

–Melissa Davis–

Cuộc nghiên cứu của Melissa

Mặc dù Melissa đã nhìn thấy cùng một vấn đề mà nhiều nhà nghiên cứu đã đặt ra trước cô, nhưng cô tiếp cận nó theo một cách khác. Thông thường, sau khi tạo ra pin mặt trời perovskite, các nhà nghiên cứu sẽ kiểm tra vật lý các đặc tính điện và cơ học của chúng. Mặc dù hiệu quả, đây là một quá trình gây tiêu tốn thời gian và chi phí. Hơn nữa, không có gì chắc chắn về một tinh thể cho đến khi thử nghiệm chúng.

Nếu là trước đây, việc phát triển sẽ dựa vào kinh nghiệm của các nhà khoa học để đưa ra phỏng đoán chính xác nhất. Nhưng ý tưởng của Melissa là tạo ra một mô hình bản sao kỹ thuật số để dự đoán kết quả của thử nghiệm. Bằng cách này, cô ấy có thể mô phỏng perovskites trước khi sản xuất chúng. Với phương pháp này, bạn chỉ cần sản xuất và thử nghiệm các ví dụ triển vọng nhất. Từ đó, có thể giảm đáng kể thời gian và chi phí cần thiết để tìm ra các tế bào năng lượng mặt trời perovskites mong muốn.

Melissa tiếp cận vấn đề như thế nào?

Để xây dựng bản sao kỹ thuật số của mình, Melissa đã sử dụng phần mềm Simcenter Multimech. Công cụ này cho phép cô tạo và tinh chỉnh một mô hình bản sao kỹ thuật số của pin mặt trời perovskite đang trải qua quá trình xuống cấp cơ học. Vì hiệu suất của pin mặt trời perovskite giảm dần khi bị hỏng và nứt về mặt cơ học, nên việc hiểu rõ hơn về các tình trạng nứt của tấm phim perovskite là điều vô cùng quan trọng. Phần mềm này cho phép cô nghiên cứu sâu hơn về các nguyên nhân làm nứt vỡ và tìm ra hướng giải quyết các điểm yếu cơ học.

Người tiên phong

Mô hình máy tính của Melissa cho phép cô dự đoán tình trạng nứt vỡ của tế bào năng lượng mặt trời, đây là một khái niệm hoàn toàn mới trong lĩnh vực này. Cách tiếp cận mô hình hóa này khiến cô ấy trở thành người tiên phong trong khoa học mô phỏng và mô hình hóa các tế bào năng lượng mặt trời perovskite.

Mô hình hóa độ phức tạp của pin mặt trời perovskite

Mô phỏng nứt vỡ tự động cho phép nghiên cứu các thiệt hại và cạnh tranh. Các thông số tối ưu cũng có thể được khám phá từ việc lựa chọn vật liệu, độ dày và hiệu suất uốn cơ học. Phiếu thử nghiệm có thể được nhìn thấy trong Hình 2. Các đơn vị hình lục giác trên cùng đại diện cho hình học tinh thể perovskite. Sự nứt gãy có thể xảy ra giữa các tinh thể, trong mỗi lớp, và ở các bề mặt của vật liệu.

Hình 2. Đầu vào hình học với hình học tinh thể perovskite, lớp ITO và chất nền polyme tạo nên cấu trúc vật liệu pin mặt trời phân lớp

Khám phá các khả năng

Trong khi ITO thể hiện các đặc tính điện tuyệt vời, nghiên cứu đã chỉ ra rằng nó thường là một điểm yếu cơ học. Do đó, các nhà nghiên cứu có thể tìm kiếm một sự thay thế phù hợp bằng cách hiểu rõ hơn vai trò của nó đối với sự suy thoái cơ học. Việc thay thế này sẽ đảm bảo sản xuất roll-to-roll là một lựa chọn khả thi để thương mại hóa trong tương lai.

Việc sử dụng bản sao thuật số của pin mặt trời cho phép tiếp cận ‘materials-by-design’, nơi Melissa có thể kiểm tra nhiều loại vật liệu để đánh giá vật liệu thế hệ tiếp theo đầy hứa hẹn và triển khai chúng trong pin mặt trời.

Một điểm yếu cơ học của pin mặt trời perovskite là lớp Indium thiếc Oxit (ITO). Trong khi ITO hội tụ nhiều đặc tính điện tuyệt vời, nó lại có nhược điểm là rất giòn. Các vết nứt đi qua lớp trên cùng của tinh thể có thể được nhìn thấy theo hình ‘zig-zag’ theo các ranh giới tinh thể.

Mô phỏng cho thấy rằng sự nứt vỡ của perovskite được thúc đẩy bởi tính chất giòn của ITO, phù hợp với mong đợi. Thay thế ITO có thể được nghiên cứu để so sánh khả năng chống nứt với cùng điều kiện gia tải, với một mô hình tại chỗ hợp lý. Hình 4 cho thấy vật liệu thay thế ITO ở lớp giữa có độ uốn cao hơn đáng kể mà không có vết nứt phát triển. Ứng suất được nhìn thấy tích tụ ở bề mặt trên cùng, chống lại sự hình thành vết nứt tốt hơn so với ITO được sử dụng truyền thống.

Video 1: Ứng suất do uốn các lớp pin mặt trời perovskite với ITO (trái) và vật liệu thay thế ITO (phải). Các vết nứt đáng kể được nhìn thấy trong thiết bị ITO khi chúng không có trong mẫu bằng vật liệu thay thế.

Nguồn: Siemens

Công ty TNHH Công Nghệ Số SDE (SDE TECH) được thành lập năm 2014. Đến năm 2018, chúng tôi vinh dự trở thành Smart Expert Partner – đối tác hàng đầu của Siemens Digital Industries Software tại Khu Vực Đông Nam Á – Thái Bình Dương cho các giải pháp Siemens NX (Unigraphics NX), Simcenter, Solid Edge, Tecnomatix và giải pháp quản lý Teamcenter.Quý doanh nghiệp, khách hàng có nhu cầu liên hệ SDE TECH theo thông tin sau: