Mở đầu”, “Kết luận”, “Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt”, “Danh mục các bảng”, “Danh mục các hình ảnh và hình vẽ”, “Danh mục các công trình đã công bố của Luận án” và “Tài liệu tham khảo”, nội dung Luận án đƣợc trình bày trong 4 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan tài liệu Chƣơng 2: Nghiên cứu công nghệ lắng đọng các lớp chức năng trong cấu trúc pin mặt trời màng mỏng Chƣơng 3: Khảo sát các phân biên ZnO/CdS và CdS/CuInS2 bằng phƣơng pháp phổ trở kháng phức CIS Chƣơng 4: Thiết kế và chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc kiểu Glass/ITO/ nanoZnO/CdS/CuInS2/Me 16 CHƢƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Năng lƣợng mặt trời - nguồn năng lƣợng của tƣơng lai Lịch sử phát triển thế giới cho thấy, sự phát triển kinh tế toàn cầu luôn liên quan chặt chẽ với sự gia tăng sử dụng năng lƣợng và phát thải của khí nhà kính GHG (Green House Gas). Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học đã có những nỗ lực vô cùng to lớn để giải quyết nhu cầu năng lƣợng ngày càng gia tăng trên toàn thế giới và giảm thiểu tới mức tối đa sự gia tăng phát thải khí nhà kính. Theo thông báo của Cơ quan Thông tin Năng lƣợng (EIA) của Bộ Năng lƣợng Mỹ trong “Outlook Năng lƣợng Quốc tế” của năm 2013 trong khoảng từ năm 2010 đến 2040 thì mức tiêu thụ năng lƣợng thế giới dự kiến tăng 56%. Năng lƣợng tiêu thụ năm 2010 khoảng là 524.1015Btu, thì năm 2020 dự kiến khoảng 630.1015Btu và năm 2040 dự kiến khoảng 820.
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng, EIA dự báo việc sử dụng than sẽ tăng mạnh trong vòng 20 năm tới cũng nhƣ sự gia tăng mạnh trong việc phát triển các nguồn năng lƣợng tái tạo nhƣ là một trong những giải pháp hữu hiệu đối với các nhu cầu về năng lƣợng.1 biểu diễn xu hƣớng tiêu thụ các dạng năng lƣợng trên thế giới. 250 28% 27% N¨ng l-îng tiªu thô, 10 .Btu 200 Láng 15 (gåm c¶ nhiªn liÖu sinh häc) 23% 34% 150 KhÝ tù nhiªn 28% 100 Than 15% 22% N¨ng l-îng t¸i t¹o 50 11% 7% N¨ng l-îng h¹t nh©n 5% 0 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 N¨m Hình 1.1 Xu hướng tiêu thụ năng lượng toàn cầu từ 1990 đến 2040 [2] Cũng cần lƣu ý rằng, khí nhà kính từ việc cung cấp các dịch vụ năng lƣợng đã góp phần đáng kể vào sự gia tăng nồng độ khí nhà kính trong khí quyển. Báo cáo đánh giá thứ tƣ của Ủy ban Liên chính phủ về biến đổi khí hậu IPCC (The Intergovernmental Panel on Climate Change) (AR4) đã kết luận: "Hầu hết các gia tăng về nhiệt độ trung bình toàn cầu kể từ giữa thế kỷ 20 liên quan chặt chẽ với sự gia tăng về nồng độ khí nhà kính do con ngƣời thải ra"[21]. Các khảo sát gần đây đã chứng minh cho kết luận này, trong đó việc tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch do con ngƣời sử dụng chiếm phần lớn sự phát thải khí nhà kính.
Sự phát thải khí nhà kính tiếp tục gia tăng trong những năm gần đây và nồng độ CO2 đã tăng lên hơn 31,2 tỉ tấn năm năm 2010 tới 36,4 tỉ tấn năm 2020 và 45,5 tỉ tấn năm 2040 [2]. Có nhiều lựa chọn cho việc giảm phát thải khí nhà kính từ các hệ thống năng lƣợng trong khi vẫn đáp ứng đủ 17 nhu cầu năng lƣợng toàn cầu. Một trong số các lựa chọn có thể là năng lƣợng tái tạo, năng lƣợng hạt nhân, sự thu giữ các bon (Carbon Capture and Storage - CCS) nhƣ đã đƣợc đánh giá trong AR4.2 Công suất các nguồn năng lượng tái tạo trong những năm gần đây (1) Năng lượng tái tạo hydro, (2) năng lượng gió, (3) năng lượng sinh khối, (4) năng lượng mặt trời, (5) năng lượng địa nhiệt [6] Năng lƣợng tái tạo, ngoài tiềm năng to lớn để giảm thiểu sự biến đổi khí hậu còn có thể cung cấp cho con ngƣời những tiện ích hữu dụng khác khi sử dụng chúng. Năng lƣợng tái tạo có thể, nếu đƣợc thực hiện đúng cách, sẽ góp phần phát triển kinh tế xã hội, tiếp cận năng lƣợng vì là nguồn cung cấp năng lƣợng an toàn và giảm các tác động tiêu cực đến môi trƣờng và sức khỏe.
Trong hầu hết các điều kiện cần có, việc tăng tỷ trọng sử dụng năng lƣợng tái tạo trong hỗn hợp năng lƣợng sẽ cần những chính sách để kích thích những thay đổi trong hệ thống năng lƣợng. Việc triển khai các công nghệ năng lƣợng tái tạo đã tăng lên nhanh chóng trong những năm gần đây. Vì thế cần phải có các chính sách bổ sung để thu hút sự gia tăng cần thiết trong đầu tƣ công nghệ và cơ sở hạ tầng. Trong số các nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng khác nhau (thủy điện, năng lƣợng sinh khối, năng lƣợng gió và năng lƣợng mặt trời) thì năng lƣợng mặt trời là lĩnh vực phát triển nhanh hơn cả với tốc độ tăng trƣởng bình quân hàng năm khoảng 60% trong những năm gần đây[4],[6],[13].1 dƣới đây là dự báo công suất tiêu thụ năng lƣợng tái tạo theo thông báo trong [4].
Năm 2003, trong tham luận “Động lực cho ứng dụng và phát triển pin mặt trời”, tác giả Joachim Luther đã giải thích rằng, sự hấp dẫn của công nghệ pin mặt trời xuất phát từ hai nguyên nhân sau: [8] 1) Khả năng sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời là rất cao, xếp hạng đầu tiên trong số các nguồn năng lƣợng tái tạo. Đây là nguồn năng lƣợng đủ để sản xuất nhiều hơn gấp hai lần nhu cầu dự kiến năng lƣợng thế giới cho năm 2030. 2) Năng lƣợng mặt trời là nguồn năng lƣợng bền vững. Nó không tạo ra khí thải độc hại trong quá trình hoạt động, có thể sản xuất điện không có khí thải, có khả năng mở rộng và hết sức linh hoạt.1 Dự báo công suất năng lượng tái tạo năm 2030-2035 và năm 2050 [4] Đại Dạng năng lƣợng Gió PV CSP Sinh khối Địa nhiệt dƣơng Đơn vị GW Công suất thực tế 2011 47 4 0.5 14 3 0 2030-2035 DOE EIA Annual Energy Outlook 2012 70 8 1 6 6 - EIA World Outlook 2012 160 70 10 40 8 1 (chính sách mới) EIA World Outlook 2012 (450) 270 120 60 50 12 1 Green peace Energy Revolution 650 390 140 1 50 15 (2012, phiên bản U.S ) 2050 NREL Electricity Futures Study (2012) 460 170 60 80 25 - Lovins/RMI Reinventing Fire 500 480 80 40 15 - Hiện nay, năng lƣợng mặt trời đang nhận đƣợc sự quan tâm đặc biệt trên toàn thế giới.
Ở các nƣớc phát triển, các nhà máy năng lƣợng mặt trời đã đƣợc hòa với lƣới điện quốc gia, trong khi ở các nƣớc đang phát triển, các nhà máy năng lƣợng mặt trời lại hoạt động nhƣ các đơn vị độc lập. Có thể nói, năng lƣợng mặt trời bắt đầu phát triển và hiện nay đang trên đà trƣởng thành, mặc dù giá thành vẫn còn đắt hơn nhiều so với các nguồn năng lƣợng truyền thống. Rõ ràng là, để thực hiện một sự thay đổi quyết định trong việc nâng cao hiệu suất, giảm giá thành và đa dạng hóa các ứng dụng, lĩnh vực năng lƣợng mặt trời cần đầu tƣ nhân lực, công nghệ và tài chính đáng kể. Nhiều chuyên gia trong lĩnh vực năng lƣợng mặt trời có cách nhìn rất lạc quan về tƣơng lai của năng lƣợng mặt trời.
Thực tế cho thấy, sự phát triển của pin mặt trời trong những năm gần đây bắt đầu cạnh tranh với năng lƣợng gió và địa nhiệt. Nhiều dự đoán cho rằng, công suất năng lƣợng mặt trời toàn cầu có thể đạt 400800 GW sớm nhất là năm 2020. Và đến năm 2050, công suất năng lƣợng mặt trời toàn cầu có thể đạt 8000 GW [6]. Hiện nay, châu Âu chiếm 75% thị phần pin mặt trời trên toàn cầu.
Tuy nhiên, một số chuyên gia tin rằng điều này sẽ thay đổi trƣớc năm 2020 với thị phần của châu Âu sẽ giảm xuống dƣới 50% và phần còn lại sẽ do Trung Quốc, Nhật Bản, và các nƣớc châu Á khác chi phối. Theo thông báo của REN21 [6] thì giá thành pin mặt trời hiện nay ở châu Âu khoảng 22÷44 cent/kWh. Ở Mỹ giá lắp đặt trên tầng thƣợng là khoảng 20†37 cent/kWh. Đối với trƣờng hợp lắp đặt quy mô lớn, tùy thuộc vào kích thƣớc hệ thống, điều kiện bức xạ mặt trời địa phƣơng và các yếu tố khác, giá thành pin mặt trời dao động trong khoảng 9÷13 cent/kWh.
Trong tính toán dài hạn thì giá thành điện mặt trời sẽ giảm xuống dƣới 10 cent/kWh. Đặc biệt, tính toán của IEA ETP (2012) cho thấy giá thành điện mặt trời vào năm 2030 sẽ khoảng 7÷11 cent/kWh đối với các dự án quy mô lớn và 8÷14 cent/kWh cho việc lắp 19 đặt trên tầng mái [15]. Trong [16], [5] tổ chức Greenpeace lại thông báo, giá thành điện mặt trời sẽ là 5†10 cent/kWh vào năm 2030-2040, tùy thuộc vào từng vùng lãnh thổ. Một loạt các yếu tố đã góp phần giảm giá thành năng lƣợng mặt trời nhƣ: khả năng lắng đọng các màng mỏng trên diện tích lớn, khả năng tự động hóa công nghệ, khả năng tăng hiệu suất quang điện,… Ngoài ra, các chuyên gia đã đƣa ra các hƣớng sau đây để có thể giảm giá thành điện mặt trời hơn nữa, đó là: 5) Tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện các tế bào mặt trời.
Cụ thể là với pin mặt trời silicon hiệu suất quang điện phải đạt 20†24% và đối với các pin mặt trời màng mỏng phải đạt 15% vào năm 2020. 6) Ứng dụng nhiều hơn và đa dạng hơn các pin mặt trời màng mỏng. 7) Đƣa vào ứng dụng các loại pin mặt trời trên cơ sở các vật liệu mới nhƣ pin mặt trời nhuộm màu, pin mặt trời hữu cơ…v.v 8) Nghiên cứu sử dụng các vật liệu mới trong chế tạo pin mặt trời. Trong những năm gần đây, ở nƣớc ta, năng lƣợng tái tạo cũng nhận đƣợc sự quan tâm to lớn của Đảng và Nhà nƣớc.
Phó thủ tƣớng Hoàng Trung Hải đã khẳng định: “Năng lƣợng hiện nay đã trở thành vấn đề thời sự, là yếu tố quan trọng quyết định đến sự ổn định và phát triển kinh tế - xã hội của quốc gia. Trƣớc dự báo đến năm 2015 nƣớc ta sẽ bắt đầu phải nhập khẩu năng lƣợng thì bài toán năng lƣợng càng trở lên quan trọng và cấp bách hơn bao giờ hết.Việc phát triển nguồn năng lƣợng mới, trong đó có điện mặt trời khi năng lƣợng hóa thạch đang dần cạn kiệt là mục tiêu quan trọng.
