CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tình hình tiêu thụ năng lượng trên thế giới Năng lượng chính là động lực phát triển cho nền kinh tế của các quốc gia và vùng lãnh thổ. Do đó, cùng với sự phát triển kinh tế thì nhu cầu khai thác và tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng. Theo như số liệu thống kê từ cơ quan quản lý thông tin năng lượng Hoa Kỳ (EIA) trong năm 2018, sự tiêu thụ năng lượng toàn cầu liên tục tăng từ năm 1990 và được dự báo sẽ tiếp tục xu hướng tăng cho đến năm 2040, ngoại trừ tiêu thụ than đá sẽ giảm sau năm 2025, như được trình bày ở hình 1.1: Lượng năng lượng tiêu thụ toàn cầu giai đoạn 1990 – 2040 [1] Với những lo ngại về sự cạn kiệt dần của nguồn nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, than đá, và khí đốt; cùng với những hậu quả nghiêm trọng gây ô nhiễm môi trường từ những khí thải như: CO2, CH4, NxOy, v.
khi sử dụng nguồn nhiên liệu này, các nhà nghiên cứu đang hướng đến các nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng từ mặt trời, gió, địa nhiệt, sóng biển, sinh học, v. Trong đó, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tự nhiên cơ bản, vô tận, có thể khai thác mọi nơi, và đang được ưu tiên phát triển trên thế giới [2]. Theo báo cáo từ EIA năm 2020, dự báo đến năm 2050, năng lượng tái tạo sẽ tăng tỉ trọng và tạo ra 49% sản lượng điện toàn cầu, như được thể hiện 1 ở hình 1. Trong đó, sản lượng điện từ nguồn năng lượng mặt trời sẽ có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất [3].2: Lượng năng lượng tiêu thụ để tạo ra sản lượng điện toàn cầu giai đoạn 2010 – 2050 [3].
Có hai phương pháp chủ yếu để tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời, như được thể hiện ở hình 1.3 [4], bao gồm: Quang nhiệt (phát điện nhiệt năng – solar thermal): Sử dụng nhiệt năng từ bức xạ ánh sáng mặt trời để vận hành tuabin hơi nước phát điện. Quang điện (phát điện quang năng – photovoltaic): Sử dụng ánh sáng kích thích tạo dòng điện trên các thiết bị chuyển đổi quang năng thành điện năng (còn được gọi là pin năng lượng mặt trời) nhờ vào hiệu ứng quang điện. 2 Nhiệt Ánh sáng Quang nhiệt Quang điện Điện năng Hình 1.3: Phương pháp quang nhiệt và quang điện [4] 1. Pin năng lượng mặt trời Pin năng lượng mặt trời (hay pin mặt trời) là thiết bị chuyển hóa năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện.
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện [4]. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện được phát hiện lần đầu bởi nhà vật lý học người Pháp A. Đây là quá trình các điện tử hấp thu năng lượng từ photon ánh sáng và chuyển sang trạng thái kích thích, tách ra khỏi vật chất hay nguyên tử, như được trình bày ở hình 1. Ánh sáng tới Điện tử Hình 1.4: Hiệu ứng quang điện [5] 3 Hiệu ứng quang điện được chia thành hai loại chính [5]: Hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect): Các điện tử thoát khỏi bề mặt kim loại dưới tác động của ánh sáng với bước sóng phù hợp.
Điện tử phát xạ ra dưới tác động của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử. Giới hạn quang điện thường nằm trong vùng tử ngoại (λ < 400 nm). Hiệu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect) hay hiệu ứng quang dẫn (photovoltaic effect): Khi chiếu ánh sáng có bước sóng phù hợp (λ < 800 nm), các điện tử được kích thích lên vùng dẫn, thoát khỏi liên kết với nguyên tử, và trở thành điện tử tự do. Hiệu ứng quang điện trong được ứng dụng trong các thiết bị cảm biến quang học, diot bán dẫn, transitor quang điện, quang điện trở, v., và cũng được ứng dụng trong pin mặt trời, giúp thực hiện quá trình chuyển hóa quang năng thành điện năng.
Các thế hệ pin mặt trời Pin mặt trời thế hệ thứ nhất Silic là nguyên tố có trữ lượng lớn trên thế giới, chiếm 29,5% khối lượng vỏ Trái đất, với năng lượng vùng cấm thấp khoảng 1,12 eV, nên được sử dụng phổ biến trong công nghệ điện – điện tử. Pin mặt trời thế hệ thứ nhất (hay còn gọi là pin mặt trời silic) có cấu tạo gồm hai lớp điện cực: catot (bán dẫn loại p) và anot (bán dẫn loại n). Điện cực catot thường được chế tạo bằng cách pha tạp nguyên tố boron vào cấu trúc silic để tạo ra các lỗ trống. Trong khi đó, điện cực anot được chế tạo bằng cách pha tạp nguyên tố photpho vào cấu trúc silic để gia tăng điện tử.
Cấu tạo pin mặt trời thế hệ thứ nhất được thể hiện ở hình 1. 4 Dòng quang điện Ánh sáng tới Điện tử Bán dẫn loại n Lỗ trống Bán dẫn loại p Hình 1.5: Cấu tạo pin mặt trời thế hệ thứ nhất [6] Pin mặt trời thế hệ thứ nhất gồm hai loại chính: pin mặt trời silic đơn tinh thể (single/mono-crystalline silicon – s-Si) và pin mặt trời silic đa tinh thể (poly- crystalline silicon – p-Si), như được thể thể hiện ở hình 1. Pin mặt trời silic Pin mặt trời silic đơn tinh thể đa tinh thể Hình 1.6: Các loại pin mặt trời thế hệ thứ nhất [7] Các pin silic thế hệ thứ nhất cho hiệu suất chuyển hóa quang năng thành điện năng cao, nhưng có các nhược điểm như: chỉ có khả năng hấp thu bước sóng điện từ trong vùng ánh sáng hồng ngoại và giá thành sản xuất cao. Để khắc phục các nhược điểm này, pin mặt trời thế hệ thứ hai đã được nghiên cứu và phát triển [6].
5 Pin mặt trời thế hệ thứ hai Pin mặt trời thế hệ thứ hai còn được gọi là pin mặt trời màng mỏng (thin film solar cell) hiện đang chiếm khoảng 20% số lượng pin mặt trời trên thế giới. Pin màng mỏng có bề dày mỏng (1 – 4 µm), nên có thể chế tạo với nhiều hình dạng và sử dụng kết hợp với nhiều loại vật liệu khác nhau [8]. So với pin mặt trời thế hệ thứ nhất phụ thuộc vào silic, pin mặt trời màng mỏng có các ưu điểm như: sử dụng các vật liệu bán dẫn có năng lượng vùng cấm khoảng 1 – 1,75 eV, nên có khả năng hấp thu các bước sóng trong vùng ánh sáng hồng ngoại đến khả kiến, hiệu suất chuyển hóa cao, và chi phí chế tạo thấp nên có thể sản xuất qui mô công nghệp [9]. Các đại điện của pin mặt trời thế hệ thứ hai bao gồm: pin mặt trời silic vô định hình (amorphous silicon – a-Si), pin đồng-indium-diselenua (copper-indium-diselenide – CIS), pin đồng-indium-gallium- diselenua (copper-indium-gallium-deselenide – CIGS), pin cadimi tellurua (cadmium telluride – CdTe).
Cấu tạo pin mặt trời thế hệ thứ hai được mô tả ở hình 1. Lớp dẫn điện Kính nền Lớp đệm anot Lớp hợp kim Lớp hấp thu ánh sáng Kim loại tiếp xúc Hình 1.7: Cấu tạo của pin mặt trời thế hệ thứ hai [8] Tuy nhiên, pin mặt trời thế hệ thứ hai có nhược điểm là nguyên liệu chế tạo hiếm (indium), độc tính cao (cadimi, selen), và độ bền kém nên gây khó khăn trong quá trình chế tạo [6]. Nhiều nghiên cứu gần đây hướng vào pin mặt trời thế hệ thứ ba sử dụng các loại vật liệu thân thiện hơn với môi trường so với pin mặt trời silic và pin mặt trời màng mỏng. 6 Pin mặt trời thế hệ thứ ba Pin mặt trời thế hệ thứ ba có cấu tạo và nguyên lý hoạt động khác hoàn toàn so với các pin mặt trời thế hệ trước.
Lớp hấp thu ánh sáng trong pin là chất màu nhạy quang, chất màu hữu cơ, polymer dẫn điện, nano tinh thể, v. Pin mặt trời thế hệ thứ ba có các ưu điểm như: vùng quang phổ hấp thu rộng, chi phí chế tạo thấp, vật liệu chế tạo thân thiện với môi trường, và quy trình chế tạo đơn giản [10]. Các đại diện của pin mặt trời thế hệ thứ ba bao gồm: pin đồng-kẽm-thiếc-sunfua (copper-zinc-tin-sulfide – CZTS), pin chấm lượng tử bán dẫn (semiconductor quantum dots – SQD), pin mặt trời hữu cơ (organic photovoltaics – OPV), pin mặt trời chất màu nhạy quang (dye- sensitized solar cell – DSSC), và pin perovskite (perovskite solar cell) [6]. Cấu tạo pin mặt trời thế hệ thứ ba được mô tả ở hình 1.
Điện cực Chất hoạt Chất Điện cực Kính dẫn anot động quang điện li catot điện Hình 1.8: Cấu tạo pin mặt trời thế hệ thứ ba [11] Tuy nhiên, các pin mặt trời thế hệ thứ ba hiện vẫn chưa được thương mại hóa rộng rãi do hiệu suất chuyển hóa chưa cao cũng như độ bền, tuổi thọ còn kém, nhất là đối với các pin sử dụng vật liệu hữu cơ [6]. Do đó, các nghiên cứu tiếp tục phát triển pin mặt trời thế hệ thứ tư nhằm khắc phục những nhược điểm của các pin mặt trời thế hệ trước [12]. Pin mặt trời thế hệ thứ tư Thế hệ pin mặt trời thứ tư là sự tiếp nối từ pin mặt trời thế hệ thứ ba, kết hợp giữa nano tinh thể bán dẫn vô cơ và polymer dẫn điện tạo thành bán dẫn nanocomposite polymer. Ưu điểm của pin mặt trời thế hệ thứ tư là sử dụng vật liệu bán dẫn có kích thước nano, nên có thể kết hợp phủ nhiều lớp chồng lên nhau để tạo thành pin hấp thu 7 nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, nhằm tăng hiệu suất chuyển hóa.
Pin mặt trời thế hệ thứ tư áp dụng các quy trình công nghệ đơn giản như in phun, in lụa giúp giảm giá thành. Nhược điểm của pin mặt trời thế hệ này là hiệu suất chuyển hóa vẫn còn thấp so với pin mặt trời silic và pin mặt trời màng mỏng. Ngoài ra, các polymer sử dụng trong pin mặt trời thế hệ này cũng bị thoái hóa theo thời gian, làm giảm hiệu suất chuyển hóa của pin [12]. Cấu tạo của pin mặt trời thế hệ thứ tư được mô tả ở hình 1.
Dòng quang điện Kim loại tiếp xúc Lớp đệm catot Lớp chất hoạt quang Lớp đệm anot Kính nền Lớp dẫn điện Hình 1.9: Cấu tạo pin mặt trời thế hệ thứ tư [13] Trong các thế hệ pin mặt trời, pin thế hệ thứ tư cho thấy tiềm năng lớn, nhưng vẫn cần được nghiên cứu chuyển sâu trong phòng thí nghiệm. Mặc dù các pin mặt trời thế hệ thứ nhất và thứ hai đã được thương mại hóa rộng rãi, nhưng các nhược điểm của các pin này khó có thể khắc phục được. Vì vậy, pin mặt trời thế hệ thứ ba với những ưu điểm như: thao tác chế tạo đơn giản, chi phí chế tạo thấp, và vật liệu sử dụng không gây độc hại, đang cho thấy khả năng ứng dụng cao trong các lĩnh vực như: điện – điện tử và xây dựng [14]. Pin mặt trời chất màu nhạy quang 1.