Các tế bào silicon có hiệu suất lý thuyết tối đa khoảng 32%, vì vậy các nhà nghiên cứu đang khám phá các vật liệu và thiết kế tế bào mới có thể cải thiện khả năng chuyển đổi và hiệu suất. Dưới đây là những cái hứa hẹn nhất:
Xếp lớp với các tế bào năng lượng mặt trời đa chức năng
Một số nhà nghiên cứu đang làm việc để cải thiện hiệu suất của tế bào bằng cách xếp nhiều lớp bán dẫn khác nhau để tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời đa chức năng . Các ô này về cơ bản là các ngăn xếp bán dẫn, trái ngược với các ô tiếp giáp đơn, chỉ có một chất bán dẫn. Mỗi lớp hấp thụ một phần khác nhau của quang phổ mặt trời, sử dụng nhiều ánh sáng mặt trời hơn so với các tế bào tiếp giáp đơn.
Số lượng và loại hấp thụ ánh sáng một chất bán dẫn được xác định bởi nó bandgap, một tính chất biểu thị mức năng lượng tối thiểu cần thiết để các electron tự do để vật liệu có thể dẫn điện. Nếu không có năng lượng này, silicon hoạt động giống như một chất cách điện. Các tế bào năng lượng mặt trời đa chức năng có thể đạt đến mức hiệu suất kỷ lục vì ánh sáng không bị lớp bán dẫn đầu tiên hấp thụ sẽ bị một lớp bên dưới bắt giữ. Các lớp khác nhau hấp thụ các phần khác nhau của quang phổ mặt trời. Khi ánh sáng được hấp thụ, năng lượng được chuyển thành dòng điện và ít năng lượng bị mất hơn vì dải tần gần với năng lượng của ánh sáng hấp thụ hơn.
Trong khi tất cả các tế bào năng lượng mặt trời có nhiều hơn một dải băng tần là pin mặt trời đa chức năng, thì một tế bào năng lượng mặt trời có chính xác hai dải băng tần được gọi là pin mặt trời song song. Pin mặt trời đa chức năng kết hợp các chất bán dẫn từ cột III và V trong bảng tuần hoàn được gọi là pin mặt trời đa chức năng III-V.
Các tế bào năng lượng mặt trời đa chức năng đã chứng tỏ hiệu suất cao hơn 45%, nhưng chúng đắt và khó sản xuất, vì vậy chúng được dành cho việc khám phá không gian. Quân đội đang sử dụng pin mặt trời III-V trong máy bay không người lái và các nhà nghiên cứu đang khám phá các mục đích sử dụng khác cho chúng, nơi hiệu suất chuyển đổi năng lượng là chìa khóa.
Tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng
Silicon có thể là loại pin mặt trời phổ biến nhất, nhưng pin mặt trời màng mỏng thường có giá thành rẻ hơn và có thể dễ chế tạo hơn. Màng mỏng chiếm 3% đến 5% thị trường toàn cầu nhưng thường kém hiệu quả hơn silicon.
Pin mặt trời màng mỏng được chế tạo bằng cách phủ một lớp mỏng vật liệu bán dẫn có tính hấp thụ cao lên một tấm thủy tinh, nhựa hoặc lá kim loại được gọi là chất nền chứ không phải tạo ra một tấm wafer tinh thể. Vật liệu này có thể được lắng đọng trên các bề mặt linh hoạt, giúp giảm chi phí và các tế bào năng lượng mặt trời linh hoạt. Màng mỏng thường tối hoặc trong suốt một phần, do đó, các mô-đun trông đồng nhất hơn so với các mô-đun silicon tinh thể lốm đốm, xanh lam hoặc đen. Hiệu suất tế bào màng mỏng cao kỷ lục là 22,1%, trong khi các tế bào đơn tinh thể-silicon đã đạt 25% và đa tinh thể, trên 20%.
Trên thị trường có ba loại pin mặt trời màng mỏng:
- cadmium telluride (CdTe)
- đồng indium gallium diselenide (CIGS)
- silicon màng mỏng vô định hình (a-Si)
CdTe và CIGS đã đạt sản lượng quy mô gigawatt. CdTe thành công hơn về mặt thương mại và đã đạt đến mức hiệu quả tương đương với các mô-đun silicon-tinh thể trong phòng thí nghiệm.
Vật liệu năng lượng mặt trời mới và mới nổi
Các nhà nghiên cứu đang đào sâu vào các màng mỏng. Đây là những công nghệ cần biết:
PEROVSKITE
Pin mặt trời Perovskite là một loại tế bào màng mỏng và được đặt tên theo cấu trúc tinh thể cùng tên ABX 3 , với vật liệu PV được nghiên cứu nhiều nhất là chì metylamoni (MA +) (Pb + 2) iodua (I-), hoặc MAPbI3. Các tế bào Perovskite được xây dựng bằng các lớp vật liệu được in, tráng hoặc hút chân không trên chất nền. Chúng thường dễ chế tạo và có thể đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời cao hơn 20%. Trong phòng thí nghiệm, hiệu suất của pin mặt trời perovskite đã được cải thiện nhanh hơn bất kỳ vật liệu hấp thụ PV nào khác, từ 3% trong năm 2009 lên hơn 24% vào năm 2019. Nhưng để khả thi về mặt thương mại, các tế bào PV perovskite phải trở nên ổn định và bền hơn đủ để tồn tại 20 năm ngoài trời, vì vậy các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu điều đó — và phát triển các kỹ thuật sản xuất quy mô lớn, chi phí thấp.
CHẤM LƯỢNG TỬ
Pin mặt trời chấm lượng tử dẫn điện thông qua các hạt bán dẫn cực nhỏ rộng vài nanomet, được gọi là chấm lượng tử. Các chấm lượng tử cung cấp một phương pháp mới để xử lý các chất bán dẫn, nhưng rất khó để tạo ra một kết nối điện giữa chúng, vì vậy chúng không hiệu quả lắm.
Nhưng chúng dễ dàng chế biến thành pin mặt trời. Chúng có thể được lắng đọng trên bề mặt bằng phương pháp tráng phủ quay, máy phun hoặc máy in cuộn như những máy in được sử dụng để in báo. Và các chấm lượng tử có nhiều kích cỡ khác nhau, vì vậy bandgap của chúng có thể tùy chỉnh, cho phép chúng thu thập ánh sáng khó bắt và được ghép nối với các chất bán dẫn khác, như pin mặt trời perovskite màng mỏng, để tối ưu hóa hiệu suất của pin mặt trời đa chức năng.
QUANG ĐIỆN HỮU CƠ
Quang điện hữu cơ (OPV) là các tế bào năng lượng mặt trời nhẹ được làm bằng các hợp chất cacbon có thể hòa tan và xử lý dung dịch, có thể giảm chi phí chế tạo tế bào. OPV sử dụng các phân tử và polyme hữu cơ dẫn và tạo ra điện giống như trong các công nghệ màn hình đi-ốt phát quang hữu cơ. Và bởi vì các phân tử hữu cơ có thể được tổng hợp với các đặc tính phù hợp, các thiết bị OPV có thể có màu sắc khác nhau hoặc trong suốt. Điều này có liên quan đến thị trường PV tích hợp xây dựng, thị trường đang tìm cách thay thế vật liệu xây dựng bằng vật liệu PV để làm cửa sổ và mặt tiền. Các nhà nghiên cứu đang làm việc để cải thiện tuổi thọ và hiệu quả của thiết bị cũng như giảm thiểu tác động hình ảnh của quá trình lão hóa.
Xem thêm: Tế bào PV 101: Lớp lót trên tế bào quang điện mặt trời
