Pin Năng Lượng Mặt Trời Hoàn Toàn Bằng Vật Liệu Carbon

Các nhà khoa học ở trường Đại học Stanford đã chế tạo thành công pin năng lượng mặt trời hoàn toàn bằng vật liệu carbon. Đây hứa hẹn sẽ là một vật liệu thay thế hoàn hảo cho các vật liệu đắt tiền khác được sử dụng trong các thiết bị quang điện từ bấy lâu nay.

>> Những Công Trình Dùng Điện Mặt Trời Vĩ Đại Nhất Thế Giới

>> Đánh Giá Ứng Dụng Điện Năng Lượng Mặt Trời Ở Việt Nam

“Món nợ carbon” của năng lượng mặt trời

Khi một tấm pin mặt trời đưa vào sử dụng, ngay từ đầu đã kèm theo một “món nợ” mang tên carbon. Đứng dưới góc độ môi trường, “món nợ” này cần phải được hoàn trả trước khi tấm pin mặt trời được xem là giải pháp cho môi trường và tăng trưởng xanh.

Năng lượng mặt trời được ca ngợi như là một dạng năng lượng sạch. Trên thực tế, trong quá trình tạo ra điện, các tấm pin mặt trời không thải khí nhà kính ra môi trường. Tuy nhiên, để tạo ra một tấm pin mặt trời thì ban đầu cần rất nhiều năng lượng. Điển hình, để làm tan chảy và tinh chế silicon thì chúng cần phải được thực hiện trong các lò đốt bằng điện có nhiệt độ lên tới 1.414 độ C. Hầu hết, trong quá trình đốt cháy nhiên liệu sẽ thải ra khí CO2. Do đó, khi một tấm pin mặt trời đi vào sử dụng, chúng luôn gắn với một cái tên đó chính là “món nợ carbon”.

Trong quá trình sản xuất pin mặt trời, một lượng khí thải CO2 thải ra do silicon được nung và tinh chế trong các lò đốt bằng điện có nhiệt độ lên tới hàng nghìn độ C
Trong quá trình sản xuất pin mặt trời, một lượng khí thải CO2 thải ra do silicon được nung và tinh chế trong các lò đốt bằng điện có nhiệt độ lên tới hàng nghìn độ C

Theo tính toán của Nhóm nghiên cứu Van Sark, năng lượng cần để lắp đặt tất cả các tấm pin mặt trời trên thế giới từ năm 1975 cho đến 2015 và lượng khí CO2 thải ra môi trường ra trong quá trình tạo ra năng lượng ấy. Xem xét năng lượng mà các tấm pin này tạo ra từ khi lắp đặt cũng như lượng CO2 tương đối mà chúng đã giúp ngăn chặn đưa vào trong không khí. Nhóm chuyên gia Van Sark đã tính đến quá trình đổi mới công nghệ sản xuất pin để ngày càng hiệu quả hơn.

Cũng theo Nhóm nghiên cứu Van Sark, một tấm pin mặt trời được sản xuất tại Trung Quốc đã tạo ta gần gấp đôi lượng khí thải so với các tấm pin được sản xuất tại châu Âu. Lí giải cho điều này, các chuyên gia Van Sark cho biết, do Trung Quốc chủ yếu dựa vào nhiên liệu hóa thạch để tạo ra điện. Còn tại châu Âu, năng lượng sạch tạo ra được dùng thay thế cho điện đến từ quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch.

Bên cạnh đó, để sản xuất một tấm pin mặt trời, trung bình sẽ tạo ra chỉ khoảng 20 gram khí CO2 trên mỗi kWh năng lượng mà chúng mang lại trong suốt vòng đời dự án (khoảng 30 năm). So với năm 1975, con số này đã giảm gấp hơn 20 lần.

Nhóm chuyên gia Van Sark cho rằng, càng có nhiều tấm pin mặt trời được tạo ra, quá trình sản xuất sẽ càng hiệu quả. Khi thế giới tăng gấp đôi công suất năng lượng mặt trời, năng lượng cần để sản xuất pin đã giảm khoảng 12%, đồng thời, lượng CO2 thải ra tương ứng cũng giảm từ 17-24%.

Dựa trên những con số tính toán, các giả thiết đặt ra, “món nợ carbon” sẽ được trả hết vào năm 2018. Chỉ đến thời điểm đó, chúng ta mới có thể tự tin khẳng định năng lượng mặt trời là vô hại.

Những tấm pin mặt trời làm hoàn toàn từ carbon

Pin mặt trời hoàn toàn bằng vật liệu carbon đã được các nhà khoa học trường Đại học Stanford nghiên cứu và chế tạo thành công. Giáo sư kỹ thuật hoá học Zhenan Bao, hiện đang công tác tại ngôi trường này cho biết: “Carbon có khả năng cung cấp hiệu suất cao với giá thành thấp. Với hiểu biết nhất của chúng tôi, đây là bằng chứng đầu tiên về một pin mặt trời hoạt động mà có tất cả các thành phần được làm bằng carbon. Nghiên cứu này được xây dựng dựa trên công việc trước đó được thực hiện trong phòng thí nghiệm của chúng tôi”.

Khác với những tấm pin mặt trời silicon cứng được lắp đặt trên mái nhà hiện nay, các tấm pin được chế tạo của Đại học Stanford được làm hoàn toàn bằng vật liệu carbon, có thể được sơn phủ lên các mái nhà.

Michael Vosgueritchian, sinh viên tốt nghiệp đại học Stanford, đồng thời cũng là đồng tác giả chính của nghiên cứu với nhà nghiên cứu bậc sau tiến sĩ Marc Ramuz cho biết thêm: “Tạo ra các pin mặt trời silicon đòi hỏi rất nhiều bước. Kỹ thuật sơn cũng có khả năng để giảm chi phí sản xuất. Nhưng toàn bộ thiết bị của chúng tôi có thể được xây dựng bằng cách sử dụng các phương pháp sơn đơn giản mà không yêu cầu những công cụ và máy móc đắt tiền”.

Cấu tạo tấm pin mặt trời thử nghiệm của nhóm nghiên cứu Zhenan gồm một lớp quang hoạt. Lớp này có nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng từ mặt trời và được kẹp giữa hai điện cực. Trong một tấm pin mặt trời mỏng, các điện cực được làm từ các kim loại dẫn điện và oxit Thiếc – Indi (ITO). Đây đều là những vật liệu hiếm và đắt tiền. Tuy nhiên, sử dụng carbon sẽ có giá thành thấp hơn và dễ tìm hơn.

Những tấm pin mặt trời làm hoàn toàn từ carbon dự kiến sẽ có giá thành thấp hơn nhờ sử dụng vật liệu giá thành thấp và phong phú như carbon
Những tấm pin mặt trời làm hoàn toàn từ carbon dự kiến sẽ có giá thành thấp hơn nhờ sử dụng vật liệu giá thành thấp và phong phú như carbon

Nhóm nghiên cứu của Zhenan Bao đã sử dụng trong các điện cực graphene – tấm carbon là một nguyên tử dày và ống nano carbon đơn vách mảnh hơn sợi tóc 10.000 lần thay vì bạc và ITO trong các điện cực thông thường. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu của cô đã sử dụng “buckyballs” và các ống nano carbon để làm lớp hoạt động. (Buckyballs là các phân tử carbon có hình dạng quả bóng đá, chúng có đường kính khoảng một nanomet).

Vosgueritchian chia sẻ thêm: “Tất cả các thành phần trong pin mặt trời của chúng tôi, từ trên xuống dưới, được làm bằng vật liệu carbon”. Tuy nhiên, mẫu thử nghiệm này cũng tồn tại một hạn chế đó chính là do chúng được làm làm hoàn toàn từ carbon nên chủ yếu hấp thụ bước sóng của ánh sáng hồng ngoại gần.

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu sẽ xem xét một số cách để cải thiện hiệu quả của thiết bị. Zhenan Bao cho biết thêm: “Độ nhám bề mặt có thể làm đoản mạch các thiết bị và làm cho nó khó thu nhận dòng điện. Chúng ta phải tìm ra cách để làm cho mỗi lớp trở nên trơn bóng bằng cách xếp chồng thật tốt các vật liệu nano”.

Theo Vosgueritchian, những tấm pin mặt trời carbon ngoài chế tạo cho các thiết bị thông thường, chúng vẫn có thể hoạt động tốt trong điều kiện khắc nghiệt như ở nhiệt độ cao hoặc áp lực vật lý cao.

Khẳng định lợi ích của năng lượng mặt trời, Zhenan Bao nói thêm: “Quang điện chắc chắn sẽ là một nguồn năng lượng rất quan trọng mà chúng ta sẽ khai thác trong tương lai. Chúng ta có rất nhiều ánh sáng mặt trời. Chúng ta đã tìm ra vài cách để sử dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên này”.

>> Bán Tấm Pin Năng Lượng Mặt Trời Nhập Khẩu Chính Hãng Toàn Quốc

>> 10 Ứng Dụng Của Pin Năng Lượng Mặt Trời Trong Cuộc Sống

Dự án nghiên cứu pin mặt trời hoàn toàn bằng vật liệu carbon được tài trợ bởi Văn phòng không quân nghiên cứu khoa học (Air Force Office for Scientific Research) và Dự án Năng lượng và khí hậu toàn cầu tại Đại học Stanford (Global Climate and Energy Project).

Nguồn: https://solarmcgroup.com/