Pin năng lượng mặt trời trong suốt, bước tiến vượt bậc trong ngành năng lượng tái tạo

Các nhà khoa học trên khắp thế giới đã đạt được những bước tiến đáng kể trong lĩnh vực năng lượng mặt trời, và một trong những phát triển thú vị nhất là công nghệ tấm pin mặt trời trong suốt (transparent solar panels), hay còn được biết đến với tiềm năng biến những bề mặt kính quen thuộc thành nguồn cung cấp năng lượng tái tạo. Công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại một cuộc cách mạng trong cách chúng ta khai thác năng lượng từ mặt trời, đặc biệt là trong bối cảnh đô thị hóa ngày càng tăng và nhu cầu về các giải pháp năng lượng bền vững ngày càng cấp thiết.

Điểm mấu chốt của công nghệ chế tạo pin mặt trời trong suốt nằm ở việc sử dụng các vật liệu đặc biệt có khả năng hấp thụ các bước sóng ánh sáng không nhìn thấy được, như tia cực tím (UV) và tia cận hồng ngoại (near-infrared), đồng thời cho phép ánh sáng xuyên qua. Điều này khác biệt hoàn toàn so với các tấm pin mặt trời truyền thống vốn chỉ có màu đen hoặc đục mờ do các lớp bán dẫn hấp thụ ánh sáng nhìn thấy để tạo ra điện năng.

Một số hướng nghiên cứu đáng chú ý hiện nay:

• Đại học Quốc gia Incheon, Hàn Quốc: Nhóm các nhà khoa học tại đây do Giáo sư Joondong Kim dẫn dầu đã phát triển một tế bào quang điện hoàn toàn trong suốt bằng cách kết hợp titanium dioxide (TiO₂) và nickel oxide (NiO). TiO₂ là một chất bán dẫn loại n hấp thụ tia UV, trong khi NiO là chất bán dẫn loại p có độ trong suốt quang học cao (>57% đối với ánh sáng nhìn thấy). Các thử nghiệm đã chứng minh tế bào này có thể tạo ra điện năng đủ để vận hành một động cơ nhỏ. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng hiện tại của tế bào này là 2,1%.
• Đại học Tohoku, Nhật Bản: Một nhóm nghiên cứu khác tại Nhật Bản đã chế tạo tế bào quang điện có độ trong suốt cao bằng cách sử dụng indium tin oxide (ITO) làm điện cực trong suốt và tungsten disulfide (WS₂) làm lớp hấp thụ ánh sáng. Các tế bào này đạt được độ trong suốt trung bình 79% đối với ánh sáng nhìn thấy. Họ đã kiểm soát các rào cản tiếp xúc giữa ITO và WS₂ bằng cách phủ các kim loại mỏng lên ITO và chèn một lớp tungsten oxide mỏng. Kết quả cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng đã tăng lên hơn 1.000 lần so với thiết bị sử dụng điện cực ITO thông thường.
• Đại học Bang Michigan (MSU), Hoa Kỳ: Các nhà nghiên cứu tại đây đã phát triển bộ tập trung năng lượng mặt trời hoàn toàn trong suốt từ năm 2014. Công nghệ này hấp thụ các bước sóng vô hình (UV và cận hồng ngoại) và chuyển hướng ánh sáng hấp thụ đến các dải quang điện mỏng ở các cạnh của tấm pin, nơi nó được chuyển đổi thành điện năng. Các nguyên mẫu ban đầu chỉ đạt hiệu suất 1%, nhưng các nghiên cứu đang tiếp tục đã nâng con số này lên gần 5%, và các thiết kế tương lai hướng đến mục tiêu cao hơn.
• Công nghệ tấm pin mặt trời trong suốt mở ra vô số ứng dụng tiềm năng, thay đổi cách chúng ta khai thác năng lượng tái tạo:
• Xây dựng và Kiến trúc: Các tòa nhà cao tầng, nhà ở và văn phòng có thể tích hợp các tấm pin này vào cửa sổ và mặt tiền toà nhà, biến chúng thành các cấu trúc vừa thẩm mỹ vừa tạo ra năng lượng. Các công trình xây dựng tích hợp quang điện (BIPV) dự kiến sẽ là một trong những ứng dụng chính của công nghệ này.
• Hạ tầng Đô thị: Các không gian công cộng như trạm xe buýt và nhà ga có thể tạo ra năng lượng từ các tấm pin năng lượng trong suốt.
• Điện tử tiêu dùng: Từ điện thoại thông minh đến các thiết bị đeo được, tấm pin năng lượng mặt trời trong suốt có thể cung cấp một phương thức bền vững để kéo dài tuổi thọ pin mà không làm tăng kích thước thiết bị. Tuy nhiên, còn nhiều ý kiến cho rằng hiệu suất hiện tại có thể chưa đủ để tạo ra sự khác biệt đáng kể cho điện thoại. Vấn đề tản nhiệt khi điện thoại tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng cũng là một lo ngại.
• Ôtô: Kính chắn gió và cửa sổ ôtô có thể được trang bị công nghệ này để tạo ra điện năng phụ trợ.

Mặc dù tiềm năng rất lớn, công nghệ tấm pin mặt trời trong suốt vẫn đối mặt với một số thách thức:

• Hiệu suất: Hiệu suất chuyển đổi năng lượng hiện tại của các tấm pin trong suốt thường thấp hơn so với các tấm pin mặt trời truyền thống. Việc duy trì độ trong suốt thường đi kèm với việc giảm lượng ánh sáng có thể hấp thụ. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đang nỗ lực cải thiện hiệu suất bằng cách tối ưu hóa vật liệu và thiết kế.
• Chi phí: Chi phí sản xuất tấm pin trong suốt hiện tại cao hơn so với tấm pin thông thường do yêu cầu các quy trình sản xuất và vật liệu chuyên dụng. Tuy nhiên, giá dự kiến sẽ giảm khi công nghệ tiến bộ và nhu cầu tăng lên.
• Độ bền: Đối với các ứng dụng thương mại như lớp phủ cửa sổ, tấm pin mặt trời cần hoạt động tốt trong nhiều thập kỷ. Các nghiên cứu đang được tiến hành để kéo dài tuổi thọ của sản phẩm.

Thị trường tiềm năng

Thị trường tấm pin mặt trời trong suốt toàn cầu được định giá sẽ đạt 83,5 triệu USD vào năm 2031, với tốc độ tăng trưởng CAGR là 21,3% từ năm 2022 đến 2031. Sự tăng trưởng này được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng tái tạo, sự tiến bộ trong công nghệ và sự hỗ trợ từ các chính sách của chính phủ. Châu Âu hiện đang là khu vực dẫn đầu thị trường, tiếp theo là Bắc Mỹ vàCchâu Á-Thái Bình Dương. Các công ty như Heliatek, Ubiquitous Energy, Onyx Solar và Sharp đang tích cực tham gia vào thị trường này.

Công nghệ tấm pin mặt trời trong suốt là một bước tiến đầy hứa hẹn trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Mặc dù vẫn còn những thách thức về hiệu suất và chi phí, tiềm năng ứng dụng rộng rãi của nó trong xây dựng, giao thông và điện tử tiêu dùng là không thể phủ nhận. Với những nỗ lực nghiên cứu và phát triển không ngừng, chúng ta có thể kỳ vọng vào một tương lai nơi các bề mặt kính xung quanh ta không chỉ đơn thuần là vật liệu xây dựng mà còn là những nhà máy điện mini, góp phần vào một tương lai năng lượng sạch và bền vững hơn.

Nguồn: SATI tổng hợp

Tài liệu tham khảo

1. Japan’s researchers fabricate near-invisible solar cells(https://www.inceptivemind.com/japans-researchers-fabricate-near-invisible-solar-cells/25508/#google_vignette)
2. Korean Scientists Create ‘INVISIBLE SOLAR PANELS’ That Allow Windows To Generate Electricity – https://www.princeea.com/korean-scientists-create-invisible-solar-panels-that-allow-windows-to-generate-electricity/
3. Korean Scientists Create First ‘Invisible Solar Panels’ You Can Integrate into Mobile Phones – https://www.reddit.com/r/Futurology/comments/l2n7ml/korean_scientists_create_first_invisible_solar/?rdt=51714
4. First invisible solar cell unveiled to the world ― It’s the first step to infinite energy – https://www.ecoticias.com/en/invisible-solar-cell-infinite-energy/11145/
5. Scientists design all-back-contact transparent solar cell – https://www.pv-magazine.com/2024/09/16/korean-scientists-design-15-8-efficient-all-back-contact-transparent-solar-cell/
6. Scientists develop game-changing solar tech to capture invisible energy source: ‘A new breakthrough’ – https://www.thecooldown.com/green-tech/solar-panels-hybrid-cells-perovskite-korea/
7. Transparent solar cells – https://energy.mit.edu/news/transparent-solar-cells/
8. Transparent Solar Cells Market Research, 2031 – https://www.alliedmarketresearch.com/transparent-solar-cells-market-A53571
9. On the road to invisible solar panels: How tomorrow’s windows will generate electricity – https://www.sciencedaily.com/releases/2021/01/210105104839.htm