Các nhà khoa học thuộc trường đại học Johannes Gutenberg (JGU), thành phố Mainz, Đức, đã công bố những kết quả khả quan trong việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời phim mỏng. Các nhà khoa học đều đang cố gắng tăng hiệu suất của loại pin này để chúng có thể thực sự thay thế được nhiên liệu hóa thạch.

Những nhà nghiên cứu của JGU cũng không phải ngoại lệ. Họ đã sử dụng những mô phỏng trên máy tính để nghiên cứu kỹ hơn về sự kết hợp giữa indi và gali nhằm tăng hiệu suất của pin mặt trời phim mỏng cấu thành từ đồng (Cu), indi, gali và selenua (CIGS). Đến thời điểm này, pin CIGS mới chỉ đạt hiệu suất 20% mặc dù trên lý thuyết có thể đạt mức 30%.

Những ưu điểm của pin CIGS

Pin CIGS rẻ hơn loại pin silicon nhờ chi phí cho chế tạo và nguyên liệu thấp hơn, dẫn đến chi phí sản xuất cũng thấp hơn. Pin CIGS được làm từ những nguyên liệu có khe vùng thẳng (direct band-gap) nên chúng có xu hướng hấp thụ ánh sáng rất mạnh, chỉ 1 – 2 micromet pin CIGS là đủ để hấp thụ phần lớn ánh sáng mặt trời. Pin quang điện silicon truyền thống rất cứng nhưng pin CIGS lại mềm dẻo và dễ uốn. Pin mặt trời phim mỏng đang dần chiếm lĩnh thị trường năng lượng mặt trời.

Nghiên cứu về hiệu suất của pin CIGS

Hiện tại, pin CIGS đang đạt mức hiệu suất khoảng 20%. Loại pin này hấp thụ ánh sáng qua một lớp mỏng được làm từ đồng, indi, gali, selenua và lưu huỳnh. Nhóm các nhà khoa học của JGU, đứng đầu là Giáo sư, Tiến sĩ Claudia Felser đang tận dụng những mô phỏng trên máy tính để tìm ra những đặc tính của pin CIGS.

Nghiên cứu này nằm trong dự án comCIGS, đây là dự án được Bộ Môi trường, Bảo tồn thiên nhiên và An ninh hạt nhân của Đức tài trợ. Các nhà nghiên cứu đang tập trung giải bài toán về tỷ lệ kết hợp tối ưu giữa indi và gali. Tỷ lệ indi/gali nào là lý tưởng để tăng hiệu suất của pin CIGS? Trước đây, tỷ lệ này trong thực nghiệm là 30:70; tuy nhiên mức hiệu suất cao nhất lại đạt được với tỷ lệ hoàn toàn ngược lại, 70:30.

Christian Ludwig, một thành viên trong nhóm của giáo sư Felser, đã nghiên cứu những tính toán sử dụng một công thức kết hợp. Công thức này là sự kết hợp giữa phương pháp tính toán tỷ trọng hữu dụng với phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Tiến sĩ Thomas Gruhn, trưởng nhóm lý thuyết trong nhóm của Giáo sư Felser, cho biết: “Tính toán tỷ trọng hữu dụng cho phép đánh giá mức năng lượng trong cấu trúc cục bộ đứng trên quan điểm cơ khí lượng tử. Kết quả tính toán có thể dùng để xác định các tác động nhiệt trên một phạm vi rộng nếu kết hợp với phương pháp mô phỏng Monte Carlo”.

Tính đồng nhất của vật liệu là chìa khóa cho hiệu suất cao

Các nhà khoa học đã khám phá ra rằng, các nguyên tử indi và gali phân bố không đều trong pin CIGS; có một pha mà indi và gali hoàn toàn tách biệt nhau. Sự tách biệt này chỉ xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ trong phòng. Các nhà nghiên cứu đã thử kết hợp rất nhiều mức nhiệt độ và phát hiện ra, nhiệt độ càng cao thì vật liệu càng trở nên đồng nhất. Vật liệu giàu gali càng thiếu tính đồng nhất thì hiệu suất của pin CIGS càng thấp. Nhóm của giáo sư Felser là những người đầu tiện khám phá ra hiện tượng này. Họ cũng tìm ra cách hiệu quả hơn để sản xuất pin mặt trời CIGS. Theo nhóm nghiên cứu, nếu vật liệu giàu gali được sản xuất ở nhiệt độ cao hơn thì vật liệu sẽ có tính đồng nhất hơn. Để duy trì tính đồng nhất thì vật liệu giàu gali phải được làm mát liên tục.

Thủy tinh được dùng như chất nền cho pin mặt trời. Thủy tinh luôn có một mức nhiệt độ gia công cố định, nhưng Schott AG, hãng sản xuất sản phẩm thủy tinh cao cấp của Đức, đã phát minh ra loại thủy tinh đặc biệt với mức nhiệt độ gia công được nâng cao. Và tất nhiên, pin mặt trời cũng sẽ có tính đồng nhất hơn. Điều này sẽ giúp sản xuất pin mặt trời với mức hiệu suất cao hơn rất nhiều. “Hiện tại, chúng tôi đang nghiên cứu loại pin mặt trời kích thước lớn có thể vượt mặt pin truyền thống về hiệu suất. Dự án đang rất hứa hẹn”, Gruhn cho biết thêm.

Minh Đức (theo alternative-energy-news.info)