2:17 chiều (giờ Mỹ), ngày 15/6/2023. Woody Hoburg và Steve Bowen, hai phi hành gia của NASA kiêm kỹ sư Chuyến bay Thám hiểm 69 (Expedition 69) trở về mô-đun chính của Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS).
Họ đã mất tới 5 giờ 35 phút đi bộ ngoài không gian để lắp đặt tấm pin mặt trời cải tiến iROSA thứ sáu, cho cấu trúc giàn bên mạn phải của ISS.
Có thể bạn chưa biết: ISS được phóng lên quỹ đạo Trái Đất ở độ cao 370-460 km ngày 20/11/1998, nặng 400 tấn, thể tích 900 mét khối, và được "nuôi sống" bằng điện mặt trời. Hình ảnh 8 tấm pin mặt trời (ROSA) trải rộng như đôi cánh của ISS đã trở nên quá quen thuộc với người dân ở bất kỳ ngõ ngách nào trên thế giới. Nó có tổng diện tích 2.247 mét vuông, tạo ra 735.000 kWh điện mỗi năm.
Như vậy, ngoài 8 tấm pin mặt trời thế hệ cũ ROSA - vốn đã bắt đầu xuống cấp từ khoảng năm 2018, ISS sẽ được bổ sung tổng cộng 8 tấm iROSA. Còn 2 tấm iROSA nữa, thứ bảy và thứ tám, sẽ được NASA bổ sung trong năm 2025.
iROSA là thế hệ pin mặt trời vào loại ưu việt nhất, tuy kích thước nhỏ hơn nhưng lại có hiệu suất chuyển đổi nhiệt năng của Mặt Trời thành điện năng vượt trội so với ROSA.
Nhưng thôi, đó là chuyện... ở trên trời!
Còn dưới đây là câu chuyện dưới mặt đất - có điểm tương đồng rất lớn với câu chuyện của ISS.
Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) bừng sáng trong không gian nhờ hệ thống 8 tấm pin Mặt trời (ROSA) cùng 6 tấm pin iROSA ở phần giữa. Ảnh: NASA
9:30 tối (giờ Việt Nam), ngày 20/12/2023, tại Nhà hát Hồ Gươm, Hà Nội, công nghệ đang đóng vai trò then chốt trong 90% các tấm pin mặt trời trên toàn thế giới, đã được vinh danh.
Giáo sư Martin Andrew Green người Australia, được xem là "Cha đẻ của quang điện hiện đại", được Hội đồng Giải thưởng khoa học toàn cầu VINFUTURE do Việt Nam sáng lập, vinh danh ở hạng mục danh giá nhất: VinFuture Grand Prize.
Công trình của giáo sư Martin Andrew Green mang tên "Bộ phát thụ động và Tiếp điểm phía sau (pin Mặt trời PERC)", cùng với 3 công trình khác ở cùng lĩnh vực pin Lithium-ion, được nhận giải thưởng có tổng trị giá 3 triệu USD. Đây đươc xem là giải thưởng có khoản tiền trao thưởng lớn bậc nhất thế giới hiện nay dành cho các nhà khoa học.
Trước đó, đầu năm 2023, công nghệ PERC cũng được Vua Chalres III của Vương quốc Anh trao Giải thưởng Kỹ thuật Nữ hoàng Elizabeth (QEPRize) tại Cung điện Buckingham.
Sau đây, xin mời độc giả dành chút thời gian ngược dòng lịch sử về những ngày đầu tiên của công nghệ pin mặt trời cho đến "thời đại của PERC" do giáo sư Martin Andrew Green khởi xướng.
Chủ tịch nước Võ Văn Thưởng trao Giải thưởng chính VinFuture Grand Prize 2023 cho 4 nhà khoa học. GS Martin Andrew Green đứng thứ hai từ trái sang. Ảnh: Minh Hằng
HÀNH TRÌNH GẦN 200 NĂM
Những khám phá sơ khai của pin Mặt trời ngày nay đã bắt đầu từ gần 200 năm về trước.
Năm 1839, nhà khoa học người Pháp Edmond Becquerel phát hiện ra hiệu ứng quang điện khi mới 19 tuổi. Ông nhận ra rằng khi các electron ở trạng thái kích thích trong vùng dẫn, chúng có thể chuyển động tự do trong vật liệu, do đó tạo ra dòng điện. Nhưng điều này không được công nhận rộng rãi.
Phải đợi đến đầu thế kỷ 20 khi Albert Einstein công bố các phát hiện về sức mạnh của năng lượng Mặt Trời, tên tuổi của Edmond Becquerel mới được khắc ghi. Edmond Becquerel được trao giải Nobel vào năm 1922.
Khoảng thời gian từ 1873 đến 1876, kỹ sư điện người Anh Willoughby Smith đã phát hiện ra tính quang dẫn của selen (một nguyên tố hóa học).
Người được coi là tạo ra tấm pin Mặt Trời đầu tiên là nhà phát minh người Mỹ, Charles Fritts, vào năm 1883. Ông phủ một lớp vàng mỏng lên lớp selen. Tấm pin này đạt được tỷ lệ chuyển đổi năng lượng Mặt Trời đạt 1-2%.
Để so sánh, hầu hết các tấm pin Mặt Trời hiện đại đều hoạt động với hiệu suất ít nhất từ 15 đến 20%.
Charles Fritts đã lắp đặt những tấm pin Mặt trời đầu tiên trên sân thượng của một tòa nhà ở Thành phố New York vào năm 1884. Ảnh: John Perlin/Smithsonianmag
Kỷ nguyên bùng nổ năng lượng Mặt Trời khi nó được thương mại hóa ngày càng nhiều, bắt đầu từ năm 1950. Các nhà khoa học của Phòng thí nghiệm Bell (Mỹ) tập trung vào phát triển quang điện (PV) và bắt đầu sử dụng vật liệu bán dẫn như silicon để sản xuất pin Mặt Trời. Bước đột phá này được ghi nhận là do Daryl Chapin, Calvin Fuller và Gerald Pearson thực hiện, tạo ra hiệu suất 4%.
Chính phủ Mỹ bắt đầu đổ thêm rất nhiều tiền vào công nghệ pin Mặt Trời.
Năm 1958, Mỹ cho ra đời vệ tinh chạy bằng năng lượng Mặt Trời đầu tiên, mang tên Vanguard 1. Nó đã di chuyển hơn 197.000 vòng quanh Trái Đất trong 50 năm.
Trong những năm 1960, các tấm pin Mặt Trời vẫn còn quá đắt đỏ đối với người tiêu dùng phổ thông. Các nhà khoa học vẫn tiếp tục cải tiến công nghệ mặt trời để giảm giá thành.
Khi giá dầu tăng vào những năm 1970, nhu cầu về năng lượng Mặt Trời tăng lên. Tập đoàn dầu khí đa quốc gia của Mỹ Exxon đã tài trợ cho nhiều nghiên cứu, để tạo ra pin Mặt Trời làm từ silicon cấp thấp hơn và vật liệu rẻ hơn.
Nhờ liên tục cải tiến, năng lượng Mặt Trời được công nhận là có mức giảm chi phí nhanh nhất trong số các công nghệ năng lượng. Giá của pin quang điện silicon vào những năm 1950 là 76 USD/Watt, thì đến năm 2021, chỉ còn 0,20 USD/Watt. Công suất lắp đặt năng lượng Mặt Trời toàn cầu ước tính hiện vào khoảng 728GW, và sẽ tăng lên 1.645 GW vào năm 2026.
Trong tiến trình này, công nghệ PERC đóng vai trò đột phá để tăng hiệu suất.
Theo thời gian, pin Mặt trời ngày càng được cải tiến.
THỜI ĐẠI CỦA PERC
Giáo sư Martin Andrew Green (sau đây gọi là GS. Green) sinh tại Brisbane, Australia năm 1948. Ông học tại Đại học Queensland, Australia và Đại học McMaster, Canada. Ông bắt đầu làm việc tại Đại học New South Wales (nay là UNSW Sydney) vào năm 1974, sau khi hoàn thành bằng Tiến sĩ.
Tại UNSW Sydney ông thành lập nhóm nghiên cứu Quang điện Mặt trời. Họ miệt mài nghiên cứu, thử nghiệm, suốt gần 10 năm.
Năm 1983, GS. Green và nhóm của ông đã phát minh ra một cấu trúc pin mới, pin PERC (Bộ phát thụ động và Tiếp điểm phía sau).
PERC là từ viết tắt của Passivated Emitter Rear Contact hoặc là Passivated Emitter and Rear Cell - có nghĩa là công nghệ phát quang thụ động.
Ưu điểm chính của công nghệ PERC là có các tế bào phản quang nhằm phản xạ các electron thu được từ năng lượng Mặt Trời để tạo ra điện một lần nữa. Các tết bào phản quang này tạo thành một lớp mới ở phía sau lớp tiếp xúc ánh sáng so với các tấm pin truyền thống. Đây là cách để tăng hiệu suất tấm pin trong cùng một diện tích bề mặt, theo Asia Solar thông tin.
Sự khác biệt giữa pin silicon thông thường (trái) và pin silicon PERC. Ảnh: Asia Solar
Nói một cách hình ảnh thì trước đây ánh sáng Mặt Trời chỉ được chuyển hóa một lần, và công nghệ PERC buộc ánh sáng Mặt Trời phải "làm việc gấp đôi".
Bước đột phá này đã giúp tăng hiệu suất chuyển đổi của pin Mặt Trời từ mức tối đa 16,5% vào đầu những năm 1980, lên mức 25% vào đầu những năm 2000.
Không dừng ở đó, GS. Green và nhóm của ông tiếp tục đưa ra những cải tiến trong thiết kế và chế tạo pin. Nhờ thế, công nghệ của họ vẫn đang giữ kỷ lục về hiệu suất pin Mặt Trời silicon trong 30 năm qua.
Công nghệ PERC chiếm đại đa số trong các nhà máy sản xuất pin Mặt Trời trên toàn thế giới, với tỷ lệ hơn 90% sản phẩm được tạo ra. Giá trị thị trường của pin Mặt Trời dùng công nghệ PERC ước tính hơn 100 tỷ USD.
Martin Green, Giáo sư khoa học tại UNSW ở Sydney là người đoạt Giải thưởng Leigh Ann Conn năm 2023 về Năng lượng tái tạo của Đại học Louisville, Mỹ. Ảnh: Anna Kucera.
Nói về “Cha đẻ của quang điện hiện đại”, Giáo sư George Williams, Chủ tịch của Đại học New South Wales (UNSW), kính phục: "GS. Green là một kỹ sư xuất sắc với khả năng dẫn đầu và phát triển ngành sản xuất năng lượng Mặt trời chi phí rẻ và hiệu quả trên thế giới. Công việc cả đời của ông mang lại lợi ích cho mọi người trên toàn cầu mỗi ngày và được cho là vũ khí lớn nhất của chúng ta để chống lại hiện tượng nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu".
Bản thân GS. Green chia sẻ sau khi nhận Giải thưởng VinFuture tại Việt Nam: “Ngay từ khi bắt đầu sự nghiệp, tôi đã quyết tâm làm điều gì đó có thể tạo nên sự khác biệt trên thế giới. Tôi rất tự hào rằng, nhờ nỗ lực của nhóm tôi và vô số người khác, giờ đây chúng ta đã có được năng lượng Mặt Trời chi phí thấp như một phương tiện để giảm tác động của biến đổi khí hậu, đồng thời, giảm chi phí sản xuất năng lượng".
Nguồn: NASA, AE Solar, Smithsonianmag
