Nước châu Á lập kỷ lục thế giới trong lĩnh vực pin mặt trời thế hệ mới: Không cần kim loại tỷ USD

Các nhà khoa học tại Viện Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia Nhật Bản (AIST) vừa lập kỷ lục thế giới mới với loại pin mặt trời mới sử dụng đồng gali selenua (CuGaSe₂), một vật liệu bán dẫn không chứa Indium (In) – kim loại hiếm, đắt đỏ, giá trị tỷ USD toàn cầu.

[Năm 2023, thị trường Indium toàn cầu đạt 1,03 tỷ USD, dự kiến năm 2030 đạt 1,40 tỷ USD, theo báo cáo của Grandviewresearch].

Công trình này đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 12,28%, mức cao nhất được ghi nhận đối với các pin mặt trời chalcogenide có dải năng lượng rộng trong phạm vi 1,65–1,75 eV, IE thông tin ngày 14/3.

Đây là bước tiến quan trọng hướng tới công nghệ pin mặt trời thân thiện với môi trường hơn, rẻ tiền hơn và bền vững hơn, vì không cần sử dụng Indium.

Vật liệu CuGaSe₂ có khe năng lượng trực tiếp khoảng 1,68 eV, giúp hấp thụ ánh sáng khả kiến rất hiệu quả, đồng thời nổi bật nhờ khả năng chịu khuyết tật cao, nghĩa là hiệu suất vẫn tốt dù cấu trúc tinh thể chưa hoàn hảo, rất thuận lợi cho sản xuất thực tế sau này.

Nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Shogo Ishizuka dẫn đầu đã chế tạo pin trên nền kính soda-lime với lớp tiếp xúc sau molybdenum, sau đó nuôi lớp hấp thụ CuGaSe₂ bằng quy trình ba giai đoạn chính xác.

Nhôm và rubidi florua được đưa vào trong giai đoạn đầu tiên, với lượng RbF bổ sung được thêm vào giai đoạn cuối cùng để tăng điện áp mạch hở trong khi vẫn duy trì hiệu suất cao.

Điểm đột phá nằm ở việc đưa nhôm vào vùng phía sau để tạo trường bề mặt sau giúp tăng điện áp mạch hở, giảm tái hợp electron-lỗ trống, cải thiện hệ số điền và nâng cao hiệu suất tổng thể.

Họ còn bổ sung rubidium fluoride (RbF) ở giai đoạn đầu và cuối để tối ưu hóa thêm điện áp mà không làm giảm các thông số khác.

Cấu trúc tế bào được xây dựng trên chất nền thủy tinh soda-lime với lớp tiếp xúc phía sau bằng molypden. Phía trên lớp này là lớp hấp thụ chalcopyrite không chứa indium, tiếp theo là lớp đệm cadmium sulfide dày 150 nm, lớp cửa sổ oxit kẽm và điện cực lưới kim loại.

Tạp chí PV Magazine lưu ý rằng cấu trúc lớp được thiết kế cẩn thận này giúp tối đa hóa việc thu thập điện tích và hiệu suất tổng thể của tế bào quang điện.

Thành tựu này vượt qua kỷ lục cũ 12,25% mà chính nhóm đạt được năm 2024, đồng thời được ghi nhận trong Bảng Hiệu suất Pin Mặt trời – Phiên bản 67 do Progress in Photovoltaics công bố.

CuGaSe₂ đang nổi lên như ứng cử viên sáng giá cho lớp hấp thụ thế hệ mới, đặc biệt phù hợp làm tầng trên trong pin tandem ghép lớp – khi kết hợp với pin băng cấm hẹp hơn ở dưới sẽ đẩy hiệu suất tổng lên cao hơn đáng kể, mở đường cho năng lượng mặt trời hiệu quả hơn trong tương lai.

Hiện tại nghiên cứu vẫn ở giai đoạn cơ bản, chưa sẵn sàng cho sản xuất hàng loạt vì cần phát triển thêm pin đáy tương thích và công nghệ tandem hoàn chỉnh, đồng thời chưa có đánh giá chi phí chi tiết. Dù vậy, đây vẫn là một cột mốc đáng khích lệ cho lĩnh vực năng lượng sạch, giúp giảm phụ thuộc vào nguyên liệu hiếm và hướng tới pin mặt trời giá rẻ, hiệu suất cao hơn bao giờ hết.