03/02/2021
Trong những năm gần đây, con người đã có những bước tiến vĩ đại trong khoa học và công nghệ. Nếu giả sử, một người chìm vào giấc ngủ sâu vào những thế kỷ 12 và thức dậy vào thế kỷ 15, cuộc sống của người đó về cơ bản sẽ không có quá nhiều những thay đổi, tuy nhiên, nếu một người chìm vào giấc ngủ vào thế kỷ 17 và thức dậy vào thế kỷ 20, thì phải choáng ngợp với những tòa nhà cao tầng, “con trâu sắt” chạy trên đường, “con chim sắt” bay lượn trên bầu trời, cùng với những thiết bị thông minh mà ngay cả những người dùng thời hiện tại cũng chưa chắc đã hiểu hết được nguyên lý hoạt động của chúng.
Những thành tựu khoa học công nghệ trong hai thế kỷ gần đây là vượt trội so với các thành tựu khoa học công nghệ mà loài người đã làm được trong thời đại trước đó. Khi những túi nhựa đầu tiên được ra đời, con người đã nghĩ tới một sản phẩm đóng gói nhẹ và dễ mang đi. Tại thời điểm đầu tiên, những chiếc túi nhựa còn được coi là giải pháp thay thế cho những chiếc túi giấy, qua đó giúp hạn chế việc sử dụng nguồn gỗ tự nhiên. Tuy nhiên, hiện tại, túi nhựa lại trở thành vấn đề nhức nhối trong môi trường, khi những chiếc túi nhựa cần tới hàng trăm năm dưới ánh sáng mặt trời để tự tiêu hủy. Tương tự như vậy, những phát minh về động cơ sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch đã là động lực to lớn cho sự phát triển của con người, nhưng chúng cũng là một nguồn gây ô nhiễm môi trường. Những nhà máy nhiệt điện, động cơ đốt trong ở các thiết bị giao thông vẫn hàng ngày thải ra các hạt bụi mịn gây hại cho sức khỏe con người. Hơn nữa, nguồn nhiên liệu hóa thạch là hữu hạn. Vì thế, việc tìm ra một nguồn năng lượng sạch mới là một nhu cầu cấp bách.
Trên thực tế, có nhiều nguồn năng lượng sạch, tuy nhiên, con người còn thiếu hiểu biết để có thể khai thác và biến đổi chúng một cách hiệu quả. Năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch trên trái đất là không đáng kể khi so sánh với nguồn năng lượng sạch mà mặt trời vẫn phân phát miễn phí tới trái đất. Mỗi năm, mặt trời cho khoảng 3 tỷ exajun (1 jun là năng lượng cần thiết để nâng một quả táo lên 1 mét, 1 exajun là một tỷ tỷ jun). Toàn bộ thực vật trên trái đất giúp chúng ta giữ lại được khoảng 3.000 exajun. Trong khi đó, toàn bộ hoạt động công nghiệp của con người trong một năm cần khoảng 500 exajun, tương ứng với lượng năng lượng mà mặt trời gửi tới chúng ta trong 90 phút. Có thể nói, con người đang bỏ phí một nguồn năng lượng rất lớn.
Pin mặt trời là một thiết bị quang điện có thể chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng điện. Khác với nhiệt điện và thủy điện, là những thiết bị chuyển hóa nhiệt lượng hoặc thế năng thành động năng của máy phát điện, các pin mặt trời hoạt động dựa trên sự chuyển mức năng lượng của các hạt tải (điện tử hoặc lỗ trống) thông qua quá trình hấp thụ quang học của các nhân quang điện. Pin mặt trời đầu tiên đã được chế tạo tại phòng thí nghiệm Bell sử dụng các vật liệu tinh thể silicon vào những năm 1954. Sau nhiều thập kỷ phát triển, công nghệ tinh thể silicon hiện đã chiếm lĩnh thị trường các thiết bị pin mặt trời, với khoảng 90% thị trường. Phần nhỏ còn lại được phân chia cho các công nghệ mới nổi, sử dụng DSSC (dye-sensitized solar cells), pin mặt trời hữu cơ, pin mặt trời sử dụng các bán dẫn vô định hình, màng mỏng đa tinh thể và sử dụng vật liệu perovskite… Để có thể cạnh tranh được với pin mặt trời sử dụng các tinh thể silicon, những pin mặt trời thế hệ mới phải đồng thời đáp ứng được 3 điều kiện sau: Hiệu suất pin cao, độ bền của pin tốt và công nghệ chế tạo đơn giản, rẻ tiền.
Năm 2007, lần đầu tiên pin mặt trời sử dụng vật liệu perovskite đã được công bố tại hội nghị MRS (Boston - Hoa Kỳ) bởi giáo sư Miyasaka (Toin University of Yokohama - Nhật Bản). Trong những thiết bị đầu tiên của pin mặt trời đầu tiên sử dụng vật liệu perovskite, Giáo sư Miyasaka đã sử dụng các vật liệu lại tạp hữu cơ vô cơ có cấu trúc perovskite (CH3NH3PbI3 và CH3NH3PbBr3) để sử dụng như những chất nhạy quang trong cấu trúc DSSC. Những pin mặt trời này sau đó được gọi chung với tên là pin mặt trời perovskite để thể hiện cấu trúc của lớp nhân quang điện của thiết bị. Tuy nhiên, những pin mặt trời của Miyasaka đã sử dụng các chất điện phân lỏng bên trên lớp perovskite, một vật liệu vốn rất dễ bị thủy phân. Điều này dẫn đến độ bền rất thấp và hiệu suất không ổn định của pin mặt trời perovskite. Chính vì thế, những pin mặt trời perovskite thế hệ này đã không nhận được nhiều mối quan tâm của giới khoa học.
BaZrS3 là một loại chất bán dẫn màng mỏng mới có nhiều tính chất vật lý ấn tượng cho sự phát triển pin điện mặt trời giá rẻ
Những “cơn sốt” perovskite chỉ xuất hiện vào những năm 2012, khi lần đầu tiên GS. Snaith đã chế tạo thành công những pin mặt trời perovksite sử dụng các lớp chuyển tiếp lỗ trống dạng rắn thay thế cho lớp điện phân. Nhưng pin mặt trời của Snaith đã thể hiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng lớn hơn 10% thông qua phương pháp chế tạo rẻ tiền quay phủ. Sau cú hích này, một loạt những hướng nghiên cứu lớn trên thế giới đã tham gia chế tạo pin mặt trời perovskite, tạo những cơn sốt về việc nghiên cứu chế tạo pin này. Và tới những năm cuối của thập kỷ, các pin mặt trời perovskite đã đạt được hiệu suất lớn hơn 20%. Trong khi đó, pin mặt trời hữu cơ và pin DDSC đã tiêu tốn 20 - 30 năm để đạt được hiệu suất 15%. Chính vì thế, việc đạt được hiệu suất cao trong khoảng thời gian ngắn (khoảng 7 - 10 năm) thông qua phương pháp chế tạo quay phủ với kinh phí phù hợp là một điều kinh ngạc trong giới chế tạo pin.
Tuy nhiên, pin mặt trời perovskite vẫn còn những tồn tại nhất định trước khi tiến tới thương mại hóa, là độ bền của pin, độ điện trễ và cách chế tạo những tấm pin perovskite có diện tích lớn. Trong đó, độ bền của pin vẫn bị hạn chế do lớp vật liệu lai tạp perovskite rất dễ bị thủy phân, tức chúng rất kỵ nước. Đặc biệt, lớp vật liệu chuyển tiếp lỗ trống (dạng rắn, như là Spiro-MeOTAD, PTAA) hiện nay thường có độ dẫn điện thấp, dẫn đến chúng phải cần được pha tạp bởi một chất bán dẫn khác để tăng độ dẫn (như là LiTFSI). Các chất bán dẫn pha tạp lại thường có đặc tính hút ẩm cao, dẫn đến làm thuy phân các lớp bán dẫn lai tạp perovskite. Chính vì vậy, việc tìm một chất chuyển tiếp lỗ trống mới không sử dụng chất bán dẫn pha tạp là việc rất cần thiết để nâng cao độ bền của pin. Do đó, tôi và các cộng sự công tác tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học quốc gia Hà Nội) đã nghiên cứu từ năm 2011, đến nay, mới phát triển thành công vật liệu phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin với đầy đủ tính chất phù hợp để tạo thành lớp chuyển tiếp lỗ trống trong pin mặt trời perovskite (pin mặt trời màng mỏng). Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển pin perovskite có giá thành hợp lý, độ bền cao và không ô nhiễm môi trường.
Từ năm 2018, nhóm đã phối hợp với nhóm nghiên cứu của trường Đại học Osaka Nhật Bản để phát triển vật liệu nguyên tử nhỏ phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin làm vật liệu chuyển tiếp lỗ trống. Những vật liệu này có độ linh động hạt tải cao, có thể tan trong nhiều dung môi hữu cơ, dễ dàng chế tạo bằng phương pháp quay phủ, do đó, phù hợp để có thể làm lớp chuyển tiếp lỗ trống trong các pin mặt trời perovskite. Các vật liệu này rất dễ kết tinh (qua đó tăng cường độ dẫn) bằng những phương pháp ủ nhiệt đơn giản. Hiện tại, hai nhóm đã chế tạo thành công những pin mặt trời perovskite sử dụng nguyên tử nhỏ phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin làm lớp chuyển tiếp lỗ trống. Các lớp perovskite khi kết hợp với những lớp nguyên tử nhỏ phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin không pha tạp các chất bán dẫn khác có độ bền lớn gấp 2 lớp perovskite kết hợp với lớp chuyển tiếp lỗ trống truyển thống như PTAA. Ngoài ra, nhóm đã so sánh hiệu suất của sử dụng các lớp chuyển tiếp lỗ trống nguyên tử nhỏ phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin với các pin sử dụng vật liệu lỗ trống truyền thống và thấy rằng, hiệu suất của 2 loại pin này là tương đương nhau (khoảng 15%).
Để chế tạo một pin mặt trời hiệu suất cao, tất cả các lớp như perovskite, chuyển tiếp điện tử, chuyển tiếp lỗ trống, cấu trúc của pin… phải được tối ưu hóa. Chính vì vậy, những pin đầu tiên có hiệu suất 15%, tuy thấp hơn thế giới (20%) là chấp nhận được. Hơn nữa, việc các pin mặt trời perovskite sử dụng vật liệu nguyên tử nhỏ phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin làm lớp chuyển tiếp lỗ trống thể hiện một hiệu suất tương đương với pin chế tạo cùng điều kiện sử dụng các vật liệu lỗ trống truyền thống và việc chúng có thể nâng cao độ bền của lớp perovksite là một tín hiệu đáng mừng. Mặc dù hiệu suất chuyển đổi của tấm pin sử dụng vật liệu phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin hiện tương đương với tấm pin silic truyền thống nhưng việc chế tạo vật liệu mới mang lại những giá trị riêng vì giá thành chế tạo hợp lý, dễ dàng áp dụng công nghệ và ít tác động tới môi trường vì không cần sử dụng thêm các hợp chất pha tạp.
Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tối ưu hóa các lớp vật liệu khác trong pin mặt trời perovskite để nâng cao hiệu suất của pin, qua đó giúp công nghệ sản xuất pin mặt trời perovskite tiến thêm một bước trong quá trình thương mại hóa. Hy vọng, việc phát triển loại vật liệu pin năng lượng mặt trời mới tại Việt Nam giúp giảm giá thành, thân thiện với môi trường và an toàn cho sức khỏe của người sử dụng và sẽ đạt nhiều thành tựu hơn nữa.
TS. Đào Quang Duy
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội
(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường, số 1/2021)
