Lược sử của công nghệ quang điện - Phần 1

Lược dịch từ bài "Evolution of c-Si PV Cell Technologies", tác giả Blair Reynolds / SMA America / Rocklin, CA.

Ngành công nghiệp năng lượng mặt trời ghi công Bell Labs là nơi phát minh ra pin mặt trời hiện đại. Như nhà sử học năng lượng mặt trời John Perlin đề cập chi tiết trong From Space to Earth (xem chú thích), Bell Labs đã giao nhiệm vụ cho một nhóm các nhà khoa học phát triển nguồn năng lượng độc lập thay thế cho pin khô truyền thống và họ bắt đầu thử nghiệm các vật liệu nhạy sáng vào năm 1952. Sau những nỗ lực ban đầu của họ để cải thiện sản lượng điện của pin mặt trời dựa trên selen, nhà nghiên cứu Gerald Pearson đã phát hiện ra rằng chất bán dẫn gốc silicon mà Bell đang phát triển để sử dụng trong bóng bán dẫn điện thoại có thể cung cấp vật liệu chất nền hiệu suất cao hơn cho các pin quang điện (PV).

Năm 1954, Bells Labs đã công bố phát triển Pin mặt trời Bell, loại pin mặt trời silicon tiếp xúc phía sau loại N, được thể hiện trong Hình 1, với hiệu suất chuyển đổi là 6%. 

Bất chấp những lời khen ngợi của giới truyền thông về phát minh này, công ty đã phải rất khó khăn để tìm kiếm một thị trường cho thiết bị này bên ngoài các mặt hàng mới lạ, như đồ chơi hoặc radio chạy bằng năng lượng mặt trời. Thành công của bóng bán dẫn nhanh chóng đạt được hiệu quả kinh tế với quy mô lớn cuối cùng đã làm cho Pin mặt trời Bell trở nên lỗi thời đối với ngành viễn thông lúc bấy giờ.

Cuộc đua vào vũ trụ là một bước ngoặt quan trọng đối với pin mặt trời dựa trên silicon. Vào ngày 17 tháng 3 năm 1958, Hải quân Hoa Kỳ đã phóng Vanguard 1 (Hình bên) , vệ tinh quỹ đạo trái đất nhân tạo thứ tư và là thiết bị đầu tiên bao gồm nguồn điện PV. Trong khi các vệ tinh trước đó chỉ dựa vào năng lượng pin và có thời gian thực hiện trong nhiều ngày, Vanguard 1 sử dụng năng lượng mặt trời và chạy bằng pin vẫn hoạt động được hơn 6 năm. Khả năng kéo dài tuổi thọ hữu ích của các vệ tinh quay quanh bằng cách cho phép năng lượng mặt trời sạc lại pin trên tàu là rất quan trọng để thành công trong các ứng dụng trên không gian.

Được thành lập vào cuối năm 1958, NASA đã thể hiện sự quan tâm đến quang điện và thúc đẩy những tiến bộ công nghệ sẽ dẫn đến sự phát triển của các pin PV công suất cao hơn và đáng tin cậy hơn. Sau khi thử nghiệm và cải tiến thêm, các nhà nghiên cứu đã cải thiện đáng kể hiệu suất pin mặt trời lên khoảng 14% vào năm 1960. Chẳng hạn, các nhà khoa học phát hiện ra rằng lớp phủ chống phản xạ (AR) trên bề mặt trước của pin PV giúp cải thiện sự hấp thụ ánh sáng so với silicon trần, mà mặt khác có độ phản xạ bề mặt trên 30%. Những tiến bộ khác, chẳng hạn như áp dụng các tiếp điểm dẫn điện vào phía trước của pin chứ không phải phía sau, cải thiện tốc độ và chi phí sản xuất.

Trong history of c-Si cell technologies (xem Chú Thích), Martin Green lưu ý rằng trong khi thiết kế pin cơ bản cho các ứng dụng không gian vẫn không thay đổi nhiều trong khoảng một thập kỷ. Vào những năm 1970, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra việc thêm một lớp nhôm mỏng vào mặt sau của pin PV c-Si đã tạo ra một trường mặt sau mang lại hiệu suất tăng đáng kể. Không lâu sau đó, Phòng thí nghiệm COMSAT đã tăng hiệu suất hơn nữa bằng cách khắc hóa học bề mặt của pin PV c-Si để tạo ra các cấu trúc hình chóp làm giảm phản xạ. Đến năm 1974, hiệu suất pin trên mặt đất đã đạt được hiệu suất chuyển đổi hơn 17%.

 Năm 1975, Spectrolab đã đi tiên phong trong quy trình in lưới để áp dụng các tiếp xúc kim loại phía trước vào pin mặt trời, sử dụng kim loại dạng hồ được ép thông qua một khuôn định hình, một quy trình tương tự như áp dụng để in họa tiết cho áo phông. Nghe có vẻ thô sơ, sự phát triển này cuối cùng đã dẫn đến việc giảm chi phí sản xuất đáng kể và cho phép các công nghệ PV trở nên thiết thực trong các ứng dụng trên mặt đất. Thật thú vị, các công ty dầu khí là một trong những người đầu tiên sử dụng năng lượng mặt trời trên mặt đất, triển khai công nghệ PV cho các giếng khoan ngoài khơi. Quá trình in các đường dẫn điện trên bề mặt trước của pin mặt trời, như đường dẫn trong Hình 3, đã chứng minh hiệu quả đến mức nó vẫn được sử dụng cho đến ngày nay trong các hoạt động sản xuất PV c-Si quy mô lớn.

Những tiến bộ về kiến trúc pin mặt trời trong những năm 1980 và 1990 đã thúc đẩy các công nghệ PV c-Si đạt hiệu suất chuyển đổi mà các nhà nghiên cứu trước đây cho rằng không thể tưởng tượng được. Ngay từ cuối những năm 1970, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm một kỹ thuật gọi là thụ động hóa bề mặt, nhờ đó họ áp dụng một lớp oxit lên bề mặt pin mặt trời để giảm sự tái hợp chất mang và cải thiện mức điện áp hở mạch. Nhóm nghiên cứu của Green tại Đại học New South Wales (UNSW) đã đạt được thành công như vậy với các kỹ thuật thụ động hóa bề mặt mà vào năm 1985, họ đã sản xuất pin silicon đầu tiên hiệu suất vượt quá 20%.

Trong khi hiệu suất chuyển đổi tối đa về mặt lý thuyết cho pin mặt trời silicon một phân lớp PN là khoảng 29%, các chuyên gia trong ngành như Richard Swanson, người sáng lập đã nghỉ hưu của SunPower, đã kết luận rằng giới hạn hiệu suất chuyển đổi thực tế trong sản xuất hàng loạt thương mại có thể ở mức 24%–25%. (Xem sách trắng của SunPower trong Chú Thích.) Các nhà nghiên cứu đã sản xuất pin silicon hiệu suất 24% đầu tiên vào năm 1994 và tăng kỷ lục này lên 24,5% vào năm 1998. Vào tháng 1 năm 2018, khi Viện nghiên cứu Solarenergieforschung của Đức tuyên bố rằng họ đã đạt được một kỷ lục thế giới mới về hiệu suất chuyển đổi cho một pin silicon một phân lớp PN là 26,1%. (Xem bài viết của PVTech trong Chú Thích.)

Thực tế là phải mất hai thập kỷ để cải thiện hiệu quả của pin một phân lớp PN (đơn phân lớp) trong phòng thí nghiệm bằng 1,6% cho thấy mức độ khó để đạt được những cải tiến nâng cao về hiệu suất của pin silicon. Nó cũng cho thấy các công nghệ pin silicon đã rất tiên tiến vào những năm 1980 và 90. Trên thực tế, nhiều công nghệ pin hiệu quả cao trong sản xuất hàng loạt ngày nay đến từ thời kỳ nghiên cứu và cải tiến này. Những tiến bộ có ảnh hưởng lớn nhất trong thời đại này là những cải tiến trong quy trình sản xuất, khiến chi phí mô-đun pin PV giảm đáng kể.

PV Education Network / pveducation.org

Deign, Jason, “New Efficiency Record for Perovskite Solar—Can Oxford PV Hit 30% by 2020?” Greentech Media, June 28, 2018

Martin, Green, “Developments in Crystalline Silicon Cells,” Solar Cell Manufacturing: Developing Technologies, edited by Gavin Conibeer and Arthur Willoughby, John Wiley & Sons, 2014

Osborne, Mark, “ISFH Pushes P-Type Mono Cell to Record 26.1% Conversion Efficiency,” PVTech, February 7, 2018

Perlin, John, From Space to Earth: The Story of Solar Electricity, Harvard University Press, 2002

SunPower, White Paper: SunPower Panels Generate the Highest Financial Return for Your Solar Investment, Summer 2008