Hail the Judge
Ta chơi xong không trả tiền, vậy đâu có gọi là bán
Pin mặt trời Perovskite (PSC) là công nghệ được chính phủ Nhật Bản kỳ vọng sẽ trở thành "át chủ bài" trong việc mở rộng quy mô năng lượng tái tạo, đang ngày càng tiến gần đến giai đoạn ứng dụng thực tế. Điển hình là việc Sekisui Chemical đặt mục tiêu thương mại hóa công nghệ này ngay trong năm 2025. Tuy nhiên, để PSC có thể phát triển thành một ngành công nghiệp lớn mạnh và thâm nhập sâu rộng vào xã hội, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua, bao gồm tuổi thọ ngắn và việc chứa một lượng nhỏ chì độc hại. Tin vui là các trường đại học và viện nghiên cứu quốc gia tại Nhật Bản đang tích cực triển khai các nghiên cứu nhằm giải quyết những vấn đề này.
"Công nghệ của chúng tôi đã chứng minh được tính hiệu quả thực sự," Giáo sư Tetsuya Taima thuộc Viện Nghiên cứu Vật liệu Nano, Đại học Kanazawa, tự tin khẳng định về kỹ thuật độc đáo sử dụng chất lỏng ion để nâng cao độ bền của PSC. Sử dụng kỹ thuật này, khi chế tạo và để PSC trong điều kiện không khí có độ ẩm 40%, sau 1000 giờ, pin vẫn duy trì được khoảng 90% hiệu suất ban đầu. Việc có thể chế tạo PSC bằng phương pháp tạo màng mỏng "bar coat", một phương pháp dễ dàng ứng dụng trong quy trình sản xuất tại nhà máy, càng củng cố thêm sự tự tin của ông.
PSC sử dụng vật liệu có cấu trúc tinh thể perovskite làm lớp phát điện. Quy trình sản xuất bao gồm việc phủ dung dịch vật liệu lên một lớp nền (substrate) và sau đó làm khô. Nếu sử dụng tấm phim làm lớp nền, có thể tạo ra các tấm pin mặt trời mỏng, nhẹ và có thể uốn cong.
Tuy nhiên, độ bền thấp là một nhược điểm cố hữu. Đặc biệt, tinh thể perovskite rất nhạy cảm với độ ẩm và dễ bị suy thoái nhanh chóng trong môi trường không khí. Do đó, thông thường, quá trình chế tạo PSC phải được thực hiện trong môi trường cách ly hoàn toàn với không khí bên ngoài, lớp phát điện phải được bao bọc bằng các loại phim có khả năng chống thấm cao và đắt tiền (gas barrier film).
Nghiên cứu của Giáo sư Taima đã xác nhận khả năng sản xuất PSC trong điều kiện không khí thông thường nhờ công nghệ độc quyền. Điều này mở ra tiềm năng giảm yêu cầu về khả năng chống thấm của lớp phim bảo vệ, từ đó có thể giảm chi phí sản xuất. Trong tương lai, ông đặt mục tiêu áp dụng công nghệ này vào quy trình "roll-to-roll", một quy trình sản xuất hiệu quả cao cho pin PSC dạng phim. Ngoài ra, Giáo sư Taima còn có kế hoạch thành lập một công ty khởi nghiệp (startup) để xây dựng hệ thống sản xuất pin PSC dạng phim, dự kiến khởi động vào mùa hè này và đặt mục tiêu cung cấp sản phẩm ra thị trường vào khoảng năm 2030.
PSC không chỉ nhạy cảm với độ ẩm mà còn với nhiệt độ. Nhóm nghiên cứu do ông Yasuhiro Shirai, Trưởng nhóm Vật liệu Quang điện và bà Mari Yanagida, Nghiên cứu viên chính tại Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Năng lượng và Môi trường, Viện Nghiên cứu Vật liệu Quốc gia (NIMS), phối hợp với Đại học Thành phố Tokyo, đang tiến hành các thử nghiệm ngoài trời để xác minh cơ chế suy thoái do nhiệt. Các thử nghiệm này được thực hiện trên sân thượng của khuôn viên Setagaya, Đại học Thành phố Tokyo, bằng cách lắp đặt các thiết bị gồm 4 tế bào PSC kích thước 1cm vuông xếp theo chiều dọc và ngang cùng với các thiết bị đo bức xạ mặt trời. Bắt đầu từ tháng 7 năm 2022, nhóm nghiên cứu nhận thấy suy thoái đáng kể vào mùa hè hàng năm khi nhiệt độ tăng cao.
Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng sự kết hợp giữa ánh sáng mặt trời và nhiệt độ là nguyên nhân gây ra suy thoái. Vào những ngày hè oi bức với nhiệt độ cao nhất trên 30°C, PSC tiếp xúc với ánh sáng mặt trời sẽ bị nóng lên, dẫn đến suy thoái lớp perovskite. Giao diện giữa lớp perovskite và các lớp vận chuyển điện tử hoặc lớp vận chuyển lỗ trống bao quanh nó được xác định là điểm khởi đầu của quá trình suy thoái. Sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa các vật liệu cấu thành PSC cũng là một yếu tố gây suy thoái. Lớp perovskite và vật liệu dùng làm lớp nền có đặc tính khác nhau. Chúng đều giãn nở khi nóng và co lại khi lạnh, nhưng mức độ giãn nở và co lại khác nhau, dẫn đến sự suy thoái.
Tuổi thọ của pin mặt trời thường được ước tính dựa trên kết quả của các thử nghiệm gia tốc, trong đó pin được cố tình làm suy thoái nhanh hơn bằng cách sử dụng ánh sáng và nhiệt nhân tạo, đồng thời xem xét các yếu tố làm tăng tốc độ suy thoái (gia tốc nhân). Tuy nhiên, đối với PSC, các gia tốc nhân này vẫn chưa được làm rõ hoàn toàn, do đó việc ước tính chi tiết tuổi thọ từ kết quả thử nghiệm gia tốc hiện vẫn còn khó khăn. Vì vậy, NIMS đang nỗ lực làm sáng tỏ các gia tốc nhân này thông qua các thử nghiệm ngoài trời và phân tích kết quả. Bà Yanagida nhấn mạnh: "Chúng tôi muốn tìm ra những kiến thức có thể thúc đẩy hoạt động nghiên cứu và phát triển của các doanh nghiệp."
PSC chứa một lượng nhỏ chì độc hại. Trong giai đoạn đầu triển khai xã hội, việc sử dụng PSC dự kiến sẽ đi kèm với việc xây dựng một hệ thống thu hồi và quản lý phù hợp. Tuy nhiên, trong tương lai, việc hiện thực hóa PSC có hàm lượng chì giảm hoặc không chứa chì là điều rất được mong đợi. Các ứng cử viên thay thế chì tiềm năng bao gồm thiếc và bismuth. Giáo sư Akinori Saeki thuộc Khoa Kỹ thuật Sau đại học, Đại học Osaka, đang phát triển một thiết bị sử dụng Trí tuệ Nhân tạo (AI) và công nghệ tự động hóa để tự động tạo ra các lớp perovskite không chứa chì, đồng thời tìm kiếm hiệu quả các vật liệu và quy trình tạo tối ưu.
Hiệu suất của PSC thay đổi tùy thuộc vào loại vật liệu sử dụng, nồng độ của chúng, cũng như các điều kiện môi trường và quy trình tạo như nhiệt độ và độ ẩm. Thiết bị tự động hóa sẽ sắp xếp và trực quan hóa các điều kiện đa dạng này, trong khi robot sẽ thực hiện việc tạo lớp perovskite. Sau đó, hiệu suất của lớp perovskite được tạo ra sẽ được đối chiếu với các điều kiện đã thiết lập và được đưa vào mô hình học máy. Qua đó, có thể xác định các điều kiện có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất hoặc tìm ra sự kết hợp vật liệu tối ưu một cách hiệu quả.
Giáo sư Saeki trước đây đã phát triển một hệ thống sử dụng robot để đánh giá nhanh các lớp perovskite không chứa chì. Ông đã tích hợp phương pháp đo độ dẫn vi sóng độc quyền của mình, một phương pháp có thể đo tín hiệu tương quan chặt chẽ với hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời, vào robot. Hệ thống này cũng tích hợp các hệ thống đo hấp thụ ánh sáng. Nhờ đó, thời gian đo lường, vốn mất khoảng 30 phút khi thực hiện thủ công, đã được rút ngắn xuống còn khoảng 5 phút với quy trình hoàn toàn tự động.
Giáo sư Saeki nhấn mạnh: "Phạm vi tìm kiếm để tìm ra PSC không chì tối ưu) là rất rộng. Tự động hóa có thể giúp giảm chi phí cho quá trình tìm kiếm đó." Kết quả đo lường, đánh giá và những phân tích đằng sau chúng đóng vai trò như kim chỉ nam cho việc cải thiện hiệu suất của PSC. Giáo sư Kazuhiro Marumoto thuộc Khoa Kỹ thuật Vật liệu, Khoa Toán và Khoa học Vật liệu, Đại học Tsukuba, đang tiến hành nghiên cứu sử dụng phương pháp đo Cộng hưởng Spin Điện tử (ESR) để trực quan hóa trạng thái và chuyển động của các electron bên trong PSC, từ đó tìm ra các phương pháp nâng cao hiệu suất.
Các phân tử ổn định thường có hai electron tồn tại thành cặp. Tuy nhiên, khi chịu tác động của năng lượng mạnh như nhiệt hoặc ánh sáng, các electron có thể di chuyển và xuất hiện các electron không ghép cặp (electron tự do). Phương pháp ESR chiếu xạ vi sóng vào mẫu đặt trong từ trường và đo năng lượng mà các electron tự do này hấp thụ. Qua đó, có thể trực quan hóa trạng thái bên trong của PSC đang hoạt động. Ví dụ, có thể xác định lớp nào trong số các lớp cấu thành PSC (lớp perovskite, lớp vận chuyển điện tử, lớp vận chuyển lỗ trống) đang có khuyết tật.
Nghiên cứu về phương pháp thụ động hóa (passivation), tức là xử lý bề mặt lớp perovskite để nâng cao hiệu suất, đang được đẩy mạnh trong lĩnh vực PSC. Giáo sư Marumoto, trong một nghiên cứu chung với Giáo sư Atsushi Wakamiya thuộc Viện Nghiên cứu Hóa học, Đại học Kyoto, đã đạt được hiệu suất chuyển đổi 23,6% với PSC hỗn hợp thiếc-chì sử dụng phương pháp thụ động hóa, và đã làm sáng tỏ cơ chế đạt được hiệu suất cao này bằng phương pháp ESR và các phương pháp khác.
Nhiều loại vật liệu khác nhau đang được khám phá để sử dụng trong quá trình thụ động hóa. Giáo sư Marumoto có kế hoạch đo lường các PSC đã được thụ động hóa bằng phương pháp ESR, từ đó đề xuất các vật liệu có tiềm năng cải thiện hiệu suất. Ông bày tỏ quyết tâm: "Tôi muốn tìm ra các quy luật (liên quan đến hiệu suất tốt hay xấu) để xây dựng kim chỉ nam cho việc chế tạo PSC tốt hơn."
Các nghiên cứu đa dạng nhằm giải quyết các thách thức của PSC, từ kiến thức tổng hợp vật liệu, đo lường, đánh giá đến tự động hóa, đang được tiến hành. Những kiến thức thu được từ các nghiên cứu này sẽ thúc đẩy sự phổ biến và tăng trưởng của PSC như một ngành công nghiệp.
"Công nghệ của chúng tôi đã chứng minh được tính hiệu quả thực sự," Giáo sư Tetsuya Taima thuộc Viện Nghiên cứu Vật liệu Nano, Đại học Kanazawa, tự tin khẳng định về kỹ thuật độc đáo sử dụng chất lỏng ion để nâng cao độ bền của PSC. Sử dụng kỹ thuật này, khi chế tạo và để PSC trong điều kiện không khí có độ ẩm 40%, sau 1000 giờ, pin vẫn duy trì được khoảng 90% hiệu suất ban đầu. Việc có thể chế tạo PSC bằng phương pháp tạo màng mỏng "bar coat", một phương pháp dễ dàng ứng dụng trong quy trình sản xuất tại nhà máy, càng củng cố thêm sự tự tin của ông.
PSC sử dụng vật liệu có cấu trúc tinh thể perovskite làm lớp phát điện. Quy trình sản xuất bao gồm việc phủ dung dịch vật liệu lên một lớp nền (substrate) và sau đó làm khô. Nếu sử dụng tấm phim làm lớp nền, có thể tạo ra các tấm pin mặt trời mỏng, nhẹ và có thể uốn cong.
Tuy nhiên, độ bền thấp là một nhược điểm cố hữu. Đặc biệt, tinh thể perovskite rất nhạy cảm với độ ẩm và dễ bị suy thoái nhanh chóng trong môi trường không khí. Do đó, thông thường, quá trình chế tạo PSC phải được thực hiện trong môi trường cách ly hoàn toàn với không khí bên ngoài, lớp phát điện phải được bao bọc bằng các loại phim có khả năng chống thấm cao và đắt tiền (gas barrier film).
Nghiên cứu của Giáo sư Taima đã xác nhận khả năng sản xuất PSC trong điều kiện không khí thông thường nhờ công nghệ độc quyền. Điều này mở ra tiềm năng giảm yêu cầu về khả năng chống thấm của lớp phim bảo vệ, từ đó có thể giảm chi phí sản xuất. Trong tương lai, ông đặt mục tiêu áp dụng công nghệ này vào quy trình "roll-to-roll", một quy trình sản xuất hiệu quả cao cho pin PSC dạng phim. Ngoài ra, Giáo sư Taima còn có kế hoạch thành lập một công ty khởi nghiệp (startup) để xây dựng hệ thống sản xuất pin PSC dạng phim, dự kiến khởi động vào mùa hè này và đặt mục tiêu cung cấp sản phẩm ra thị trường vào khoảng năm 2030.
PSC không chỉ nhạy cảm với độ ẩm mà còn với nhiệt độ. Nhóm nghiên cứu do ông Yasuhiro Shirai, Trưởng nhóm Vật liệu Quang điện và bà Mari Yanagida, Nghiên cứu viên chính tại Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Năng lượng và Môi trường, Viện Nghiên cứu Vật liệu Quốc gia (NIMS), phối hợp với Đại học Thành phố Tokyo, đang tiến hành các thử nghiệm ngoài trời để xác minh cơ chế suy thoái do nhiệt. Các thử nghiệm này được thực hiện trên sân thượng của khuôn viên Setagaya, Đại học Thành phố Tokyo, bằng cách lắp đặt các thiết bị gồm 4 tế bào PSC kích thước 1cm vuông xếp theo chiều dọc và ngang cùng với các thiết bị đo bức xạ mặt trời. Bắt đầu từ tháng 7 năm 2022, nhóm nghiên cứu nhận thấy suy thoái đáng kể vào mùa hè hàng năm khi nhiệt độ tăng cao.
Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng sự kết hợp giữa ánh sáng mặt trời và nhiệt độ là nguyên nhân gây ra suy thoái. Vào những ngày hè oi bức với nhiệt độ cao nhất trên 30°C, PSC tiếp xúc với ánh sáng mặt trời sẽ bị nóng lên, dẫn đến suy thoái lớp perovskite. Giao diện giữa lớp perovskite và các lớp vận chuyển điện tử hoặc lớp vận chuyển lỗ trống bao quanh nó được xác định là điểm khởi đầu của quá trình suy thoái. Sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa các vật liệu cấu thành PSC cũng là một yếu tố gây suy thoái. Lớp perovskite và vật liệu dùng làm lớp nền có đặc tính khác nhau. Chúng đều giãn nở khi nóng và co lại khi lạnh, nhưng mức độ giãn nở và co lại khác nhau, dẫn đến sự suy thoái.
Tuổi thọ của pin mặt trời thường được ước tính dựa trên kết quả của các thử nghiệm gia tốc, trong đó pin được cố tình làm suy thoái nhanh hơn bằng cách sử dụng ánh sáng và nhiệt nhân tạo, đồng thời xem xét các yếu tố làm tăng tốc độ suy thoái (gia tốc nhân). Tuy nhiên, đối với PSC, các gia tốc nhân này vẫn chưa được làm rõ hoàn toàn, do đó việc ước tính chi tiết tuổi thọ từ kết quả thử nghiệm gia tốc hiện vẫn còn khó khăn. Vì vậy, NIMS đang nỗ lực làm sáng tỏ các gia tốc nhân này thông qua các thử nghiệm ngoài trời và phân tích kết quả. Bà Yanagida nhấn mạnh: "Chúng tôi muốn tìm ra những kiến thức có thể thúc đẩy hoạt động nghiên cứu và phát triển của các doanh nghiệp."
PSC chứa một lượng nhỏ chì độc hại. Trong giai đoạn đầu triển khai xã hội, việc sử dụng PSC dự kiến sẽ đi kèm với việc xây dựng một hệ thống thu hồi và quản lý phù hợp. Tuy nhiên, trong tương lai, việc hiện thực hóa PSC có hàm lượng chì giảm hoặc không chứa chì là điều rất được mong đợi. Các ứng cử viên thay thế chì tiềm năng bao gồm thiếc và bismuth. Giáo sư Akinori Saeki thuộc Khoa Kỹ thuật Sau đại học, Đại học Osaka, đang phát triển một thiết bị sử dụng Trí tuệ Nhân tạo (AI) và công nghệ tự động hóa để tự động tạo ra các lớp perovskite không chứa chì, đồng thời tìm kiếm hiệu quả các vật liệu và quy trình tạo tối ưu.
Hiệu suất của PSC thay đổi tùy thuộc vào loại vật liệu sử dụng, nồng độ của chúng, cũng như các điều kiện môi trường và quy trình tạo như nhiệt độ và độ ẩm. Thiết bị tự động hóa sẽ sắp xếp và trực quan hóa các điều kiện đa dạng này, trong khi robot sẽ thực hiện việc tạo lớp perovskite. Sau đó, hiệu suất của lớp perovskite được tạo ra sẽ được đối chiếu với các điều kiện đã thiết lập và được đưa vào mô hình học máy. Qua đó, có thể xác định các điều kiện có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất hoặc tìm ra sự kết hợp vật liệu tối ưu một cách hiệu quả.
Giáo sư Saeki trước đây đã phát triển một hệ thống sử dụng robot để đánh giá nhanh các lớp perovskite không chứa chì. Ông đã tích hợp phương pháp đo độ dẫn vi sóng độc quyền của mình, một phương pháp có thể đo tín hiệu tương quan chặt chẽ với hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời, vào robot. Hệ thống này cũng tích hợp các hệ thống đo hấp thụ ánh sáng. Nhờ đó, thời gian đo lường, vốn mất khoảng 30 phút khi thực hiện thủ công, đã được rút ngắn xuống còn khoảng 5 phút với quy trình hoàn toàn tự động.
Giáo sư Saeki nhấn mạnh: "Phạm vi tìm kiếm để tìm ra PSC không chì tối ưu) là rất rộng. Tự động hóa có thể giúp giảm chi phí cho quá trình tìm kiếm đó." Kết quả đo lường, đánh giá và những phân tích đằng sau chúng đóng vai trò như kim chỉ nam cho việc cải thiện hiệu suất của PSC. Giáo sư Kazuhiro Marumoto thuộc Khoa Kỹ thuật Vật liệu, Khoa Toán và Khoa học Vật liệu, Đại học Tsukuba, đang tiến hành nghiên cứu sử dụng phương pháp đo Cộng hưởng Spin Điện tử (ESR) để trực quan hóa trạng thái và chuyển động của các electron bên trong PSC, từ đó tìm ra các phương pháp nâng cao hiệu suất.
Các phân tử ổn định thường có hai electron tồn tại thành cặp. Tuy nhiên, khi chịu tác động của năng lượng mạnh như nhiệt hoặc ánh sáng, các electron có thể di chuyển và xuất hiện các electron không ghép cặp (electron tự do). Phương pháp ESR chiếu xạ vi sóng vào mẫu đặt trong từ trường và đo năng lượng mà các electron tự do này hấp thụ. Qua đó, có thể trực quan hóa trạng thái bên trong của PSC đang hoạt động. Ví dụ, có thể xác định lớp nào trong số các lớp cấu thành PSC (lớp perovskite, lớp vận chuyển điện tử, lớp vận chuyển lỗ trống) đang có khuyết tật.
Nghiên cứu về phương pháp thụ động hóa (passivation), tức là xử lý bề mặt lớp perovskite để nâng cao hiệu suất, đang được đẩy mạnh trong lĩnh vực PSC. Giáo sư Marumoto, trong một nghiên cứu chung với Giáo sư Atsushi Wakamiya thuộc Viện Nghiên cứu Hóa học, Đại học Kyoto, đã đạt được hiệu suất chuyển đổi 23,6% với PSC hỗn hợp thiếc-chì sử dụng phương pháp thụ động hóa, và đã làm sáng tỏ cơ chế đạt được hiệu suất cao này bằng phương pháp ESR và các phương pháp khác.
Nhiều loại vật liệu khác nhau đang được khám phá để sử dụng trong quá trình thụ động hóa. Giáo sư Marumoto có kế hoạch đo lường các PSC đã được thụ động hóa bằng phương pháp ESR, từ đó đề xuất các vật liệu có tiềm năng cải thiện hiệu suất. Ông bày tỏ quyết tâm: "Tôi muốn tìm ra các quy luật (liên quan đến hiệu suất tốt hay xấu) để xây dựng kim chỉ nam cho việc chế tạo PSC tốt hơn."
Các nghiên cứu đa dạng nhằm giải quyết các thách thức của PSC, từ kiến thức tổng hợp vật liệu, đo lường, đánh giá đến tự động hóa, đang được tiến hành. Những kiến thức thu được từ các nghiên cứu này sẽ thúc đẩy sự phổ biến và tăng trưởng của PSC như một ngành công nghiệp.
