TÌM KIẾM GIẢI PHÁP TỐI ƯU CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI

Oxit đồng I (Cu2O) được biết đến như là một loại vật liệu bán dẫn loại p lâu đời nhất, và cũng được coi là một loại vật liệu tiềm năng cho ứng dụng của pin mặt trời. Lý do tại sao Cu2O là chủ đề hấp dẫn trong cộng đồng nghiên cứu pin mặt trời là vì không độc hại, hấp thụ tốt trong vùng bức xạ khả kiến và hồng ngoại gần, đồng là nguyên tố dồi dào tại trái đất và chi phí vật liệu thấp. Vì giá trị vùng cấm tương đối thấp, vào khoảng 2.17eV, Cu2O là loại vật liệu thích hợp cho pin mặt trời hơn là cho ứng dụng màng trong suốt dẫn điện, tuy nhiên cho đến hiện tại có khá ít các công bố khoa học về pin mặt trời dựa trên Cu2O.

PGS.TS Nguyễn Trần Thuật cho biết, gần đây, pin mặt trời dựa trên tiếp giáp dị thể loại p Cu2O và loại n ZnO với hiệu suất chuyển đổi năng lượng tương đối thấp, mặc dù hiệu suất lý thuyết cho vật liệu loại này vào khoảng 18%. Một khía cạnh hấp dẫn khác của Cu2O là khả năng kết hợp với các oxit khác để tạo thành hợp chất oxit cấu trúc delafossite dẫn điện loại p trong suốt. Trong cộng đồng nghiên cứu pin mặt trời, các ứng dụng của CuFeO2 cấu trúc delafossite dẫn điện loại p khá giới hạn, lý do là việc tổng hợp ra cấu trúc delafossite khá khó khăn, và cũng vì lý do khác như CuFeO2 thích hợp làm màng dẫn điện trong suốt (TCO) hơn là lớp hấp thụ trong pin mặt trời.

Ngay cả khi vật liệu CuFeO2 cấu trúc delafossite dẫn điện loại p được tổng hợp thành công, chúng ta vẫn phải kết hợp với một loại màng mỏng dẫn điện loại n khác để thu được lớp tiếp giáp pn mong muốn cho pin mặt trời. Trong nghiên cứu của PGS. TS Nguyễn Trần Thuật, lớp dẫn điện loại n được sử dụng kết hợp có luôn khả năng truyền qua cao, đó là oxit kẽm pha tạp nhôm (ZnO:Al hay AZO).

Hiện nay trên thế giới, oxit dẫn điện trong suốt chủ yếu là các hợp kim đôi hoặc ba trong đó có một hoặc hai kim loại được sử dụng như vật liệu chính. Màng mỏng trong suốt dẫn điện ngày nay đóng vai tro quan trọng trong ứng dụng quang điện tử, có thể kể đến như: điện cực trong suốt dẫn điện cho pin mặt trời, điện cực trong suốt cho màn hình hiện thị phẳng, cửa sổ thông minh phản xạ nhiệt, transistor màng mỏng trong suốt và điốt phát quang. Với nhưng ứng dụng này, điện trơ suất trung bình của màng TCO có thể thấp trong khoảng 10-4Ôm.cm và độ truyền qua cao đến 90% với độ rộng vùng cấm khoảng 3eV. Màng TCO phổ biến nhất là ITO, tuy nhiên do giá Indium tăng một cách thường xuyên dẫn đến sự phát triển của nhưng vật liệu TCO khác chi phí thấp hơn. Một trong nhưng ứng cử viên khác đó là AZO với điện trơ suất tương đối thấp, trong khoảng 10-3Ôm.cm đồng thời nguồn nguyên liệu chế tạo re và không độc hại.

Một số ki thuật phủ màng đã được sử dụng để chế tạo màng mỏng AZO như lăng đọng pha hơi hóa học, phun nhiệt phân, lăng đọng xung laser (PLD), phún xạ xung magnetron và phún xạ magnetron thông thường. Theo PGS.TS Nguyễn Trần Thuật, so sánh với nhưng ki thuật khác, phương pháp phún xạ magnetron thông thường đã cho thấy nhiều ưu điểm như bề mặt màng có diện tính băng phẳng lớp và tốc độ lăng đọng màng tương đối cao. Hơn thế nưa, màng AZO có thể chế tạo trên đế deo và đế polymer sử dụng cho ứng dụng pin mặt trời.

PHÁT TRIỂN THÊM CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU MỚI

PGS.TS Nguyễn Trần Thuật cho biết, thực tế thì đây là một sản phẩm "không đăng ký” cho đề tài nghiên cứu cấp ĐHQGHN mã số QG.14.24 với tên “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng dạng Delafossite CuFeO2 bằng phuơng pháp phún xạ nhằm ứng dụng chế tạo pin năng lượng mặt trời”. Trong đề tài này, anh mong muốn chế tạo được pin mặt trời dựa trên các chất có rất nhiều và rẻ tiền như đồng, sắt và kẽm trên đế kính.

“Hai oxit của đồng và sắt khi kết hợp với nhau sẽ tạo ra bán dẫn loại p cấu trúc dạng lớp Delafossite, trong khi đó oxit của kẽm pha tạp với nhôm sẽ tạo ra bán dẫn loại n. Và khi hai loại bán dẫn này chồng lên nhau sẽ tạo ra pin mặt trời, có khả năng chế tạo diện tích lớn trên đế kính hoặc đế kim loại với chi phí rất thấp”, PGS.TS Nguyễn Trần Thuật cho biết.

Dự định là như vậy, tuy nhiên, khi thực hiện chế tạo pin mặt trời, các nhà khoa học gặp nhiều khó khăn. Khó khăn đầu tiên là việc thiết lập quy trình chế tạo vì khi đó cơ sở vật chất và máy móc mới xong, nhóm nghiên cứu phải làm từ trạng thái nguyên thủy nhất. Tiếp theo mới là khó khăn về mặt chuyên môn. Là nhà khoa học có nhiều kinh nghiệm chế tạo pin mặt trời trên phiến silic và màng mỏng silic từ truớc, nhưng khi chuyển sang bán dẫn oxit thì vẫn phải nghiên cứu lại từ đầu. Để chế tạo được pin mặt trời có hiệu suất khiêm tốn cũng đã là một kết quả rất đáng khích lệ.

Với giải pháp hữu ích này, PGS.TS Nguyễn Trần Thuật đưa thêm một ý tuởng nhỏ, tạo một lớp đệm bán dẫn loại p nữa giữa lớp bán dẫn hợp chất oxit đồng nhôm với điện cực kim loại. Lớp đệm này có vai trò là lớp chặn khiến chỉ một loại hạt tải điện đi qua, khuyến khích việc phân ly hạt tải và tăng đuợc hiệu suất của pin mặt trời.

Theo PGS.TS Nguyễn Trần Thuật, mặc dù chưa thể đi đến quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời ổn định với quy mô lớn, nhưng những nghiên cứu tiếp theo của vật liệu hợp chất oxit Delafossite lại đem đến nhiều huớng phát triển hơn, đặc biệt là tính chất nhiệt điện trở của loại vật liệu này.

Với công nghệ này, PGS.TS Nguyễn Trần Thuật mong muốn tiếp tục huớng chế tạo pin mặt trời, song song với huớng sử dụng vật liệu perovskite. Nhưng khi càng làm pin mặt trời dạng màng mỏng thì anh nhận ra các hệ thống máy móc hiện có chưa đáp ứng hoàn toàn đòi hỏi kỹ thuật, đặc biệt là cần phải chế tạo các màng mỏng bán dẫn khác nhau mà không đựợc đưa ra khỏi môi truờng chân không. Do đó, mong muốn cao nhất của PGS.TS Nguyễn Trần Thuật là có thể kết hợp được với những đối tác có sẵn cơ sở vật chất để thực hiện tiếp, hoặc chuyển giao công nghệ, lập phương án chuyển nhượng sở hữu trí tuệ cho các đối tác muốn nhận.

Nếu đuợc áp dụng thành công tại quy mô chế tạo công nghiệp, nghiên cứu này cho phép chế tạo pin mặt trời trên đế kính hoặc đế kim loại với diện tích lớn (ví dụ với khổ từ 2m2 đến 4m2). Tiếp đến nhờ sử dụng những kim loại rẻ tiền như đồng, sắt, có thể thay thế bởi các kim loại hóa trị 3 khác như nhôm, kẽm, chi phí nguyên liệu thô gần như bằng 0, khi đó chi phí để tạo ra thành phẩm chỉ là chi phí quy trình, ví dụ như khấu hao tài sản các máy móc chân không sử dụng hay điện nuớc và nhân lực vận hành. So với các loại pin mặt trời màng mỏng khác như silic vô định hình thì pin mặt trời đề cập trong giải pháp hữu ích sử dụng nguồn nguyên vật liệu rẻ hơn, còn so với các pin mặt trời dạng CIGS, CdTe thì chúng lại không dùng các nguyên tố độc hại và đắt tiền. Như vậy khi so sánh trong các truờng hợp thì pin mặt trời trong giải pháp hữu ích đều có lợi thế cạnh tranh riêng cho việc ứng dụng thực tiễn.

ĐAM MÊ CHẮC CHẮN SẼ THÀNH CÔNG!

Chia sẻ về những công việc hàng ngày của nhà khoa học trẻ, PGS.TS Nguyễn Trần Thuật cho rằng, “đối với nghiên cứu khoa học hãy mạnh dạn thử sức, dám nghĩ dám làm rồi chắc chắn bạn sẽ thấy được nhiều điều thú vị trong nghiên cứu. Với tôi, nghiên cứu và định huớng nghiên cứu là công việc có nhiều tính sáng tạo, có thể không nhất thiết định huớng thế nào thì ta sẽ tới đích như vậy”.

Anh chia sẻ kinh nghiệm khi đề xuất hướng nghiên cứu lên hội đồng liên ngành, khi đó anh chỉ mong muốn có thể tạo ra một pin mặt trời với hiệu suất nhất định và có tiềm năng ứng dụng quy mô công nghiệp.Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu và phát triển công nghệ sẽ tạo ra các kết quả trung gian quan trọng.

“Trong quá trình đề tài này, tôi đã đề xuất một công thức tính hệ số phẩm chất không thứ nguyên của màng mỏng trong suốt dẫn điện áp dụng cho pin mặt trời. Công thức này tính một cách cân bằng giữa hai khả năng đối lập nhau là dẫn điện và cho ánh sáng mặt trời truyền qua (thuờng thì vật liệu chỉ tốt 1 trong 2 tính chất này thôi). Và một kết quả không ngờ khác là vật liệu bán dẫn Delafossite oxit đồng sắt có hệ số nhiệt điện trở rất cao, có tiềm năng ứng dụng trong cảm biến nhiệt”, PGS.TS Nguyễn Trần Thuật.

Trong quá trình thực hiện, PGS.TS Nguyễn Trần Thuật tìm thấy những tính chất tạo ra hiệu ứng nhiệt điện trở cao như: đồng và sắt là vật liệu đa hóa trị nên bản thân việc đổi hóa trị sẽ tạo ra thay đổi cấu trúc dẫn tới thay đổi tính chất; cấu trúc chính Delafossite là cấu trúc dạng lớp rất phù hợp cho việc các nguyên tố trong cấu trúc này thay đổi hóa trị.

Cuối cùng, anh cho rằng, công việc nghiên cứu nhìn ban đầu có vẻ khó khăn, khô khan, nhưng khi chúng ta bắt tay vào làm thì có rất nhiều điều thú vị để khám phá, thậm chí có những kết quả mà ta không thể ngờ được.