Phát triển các vật liệu mới cho pin mặt trời hướng tăng trưởng xanh, phát thải thấp

Chia sẻ tại tọa đàm về “vật liệu cho tương lại bền vững” diễn ra ngày 4/12 trong khuôn khổ Tuần lễ Khoa học Công nghệ VinFuture 2024, PGS.TS Vũ Hải Quân, Giám đốc Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh, cho rằng con người đang đối mặt với nhiều thách thức trong cuộc sống liên quan đến phát triển bền vững và đổi mới sáng tạo công nghệ. Khoa học ngày càng đóng vai trò quan trọng và không chỉ tạo nền tảng cho ngành khoa học công nghệ, mà còn tìm ra giải pháp bền vững trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng.

TS. Vũ Hải Quân nhấn mạnh đến những nghiên cứu mới nhất về phát triển vật liệu mới cho pin mặt trời không chỉ là thách thức về mặt kỹ thuật mà gắn bó mật thiết với phúc lợi xã hội, bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế.

PHÁT TRIỂN CÁC VẬT LIỆU MỚI CHO PIN MẶT TRỜI

Theo các chuyên gia, một trong những vấn đề trọng tâm của quá trình chuyển đổi xanh trên toàn thế giới là phát triển vật liệu và năng lượng xanh. Các vật liệu mới đem lại khả năng thu thập và lưu trữ năng lượng tái tạo tốt hơn, thu hồi và giảm phát thải carbon trong các quá trình công nghiệp, và kiến tạo một nền kinh tế xanh và tuần hoàn.

Các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, gió và thủy điện ngày càng trở thành trụ cột trong việc giải quyết khủng hoảng năng lượng toàn cầu và giảm lượng khí thải carbon. Trong đó, vật liệu cho pin mặt trời đóng một vai trò then chốt. Pin mặt trời, sử dụng các vật liệu tiên tiến như silicon, perovskite và vật liệu hai chiều, đang giúp tăng cường hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng, đồng thời giảm chi phí sản xuất.

Theo các chuyên gia, những tiến bộ này không chỉ giúp tăng cường khả năng tiếp cận của năng lượng sạch mà còn góp phần quan trọng vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới cho pin mặt trời và các ứng dụng bền vững là một yếu tố cốt lõi trong việc mở rộng ứng dụng năng lượng tái tạo, từ đó đóng góp trực tiếp vào mục tiêu phát triển bền vững của thế giới.

GS Richard Henry Friend, Giám đốc Nghiên cứu tại Khoa Vật lý, Đại học Cambridge- một trong những nhà vật lý có tầm ảnh hưởng lớn nhất thế giới nhận xét, năng lượng hiện đang được tiêu thụ rất lớn, gây ra nhiều vấn đề trong đó có phát thải CO2. Ước tính trung bình mỗi người thải ra hàng tấn CO2 mỗi năm, gây ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu.

Để giải quyết, khắc phục tình trạng này, GS.Sir Richard Henry Friend đã đưa lựa chọn tập trung vào năng lượng tái tạo, vật liệu mới và pin năng lượng mặt trời. Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ, giá thành của pin mặt trời đã hợp lý và đang là công cụ cần thiết để con người đạt được nền kinh tế Net Zero.

Chia sẻ về hướng đi tương lai của silicon trong sự phát triển của công nghệ năng lượng mặt trời, công nghệ ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời, GS. Martin Andrew Green, Giám đốc sáng lập Trung tâm Quang điện Tiên tiến tại Đại học New South Wales (Australia) nhận định cuộc cách mạng năng lượng thứ ba có thể là một cuộc cách mạng năng lượng mặt trời, với những vật liệu mới có khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng với hiệu suất cao và chi phí thấp chưa từng có.

Ông nhìn nhận trong thập kỷ vừa qua, giá pin mặt trời đã giảm rất nhiều, hiệu suất các tấm panel đã nâng từ 16% lên 21,6%. Kích thước, chiều cao, hình dáng của các tấm pin cũng đã thay đổi mang lại hiệu quả về chi phí kết nối, đi cáp, vận chuyển.

Ngoài ra, công nghệ chế tạo pin mặt trời đã có những bước tiến lớn đang được sử dụng như: TOPCon, HJT, IBC, và PERC. Các công nghệ mới này không chỉ giúp tăng hiệu suất của pin mặt trời mà còn giảm chi phí sản xuất, tạo điều kiện cho việc sử dụng năng lượng mặt trời trở nên phổ biến hơn trên toàn cầu. Đặc biệt, giá của pin mặt trời đã giảm từ 1 USD/W năm 2009 xuống còn khoảng 10 cent/W hiện nay, giá một tấm panel chỉ khoảng 70 USD…

CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU MỚI CHO TƯƠNG LAI BỀN VỮNG

Theo chuyên gia, công nghệ silicon sẽ là vật liệu tương lai bền vững, sử dụng nhiều trong pin mặt trời, giúp giảm giá thành vật liệu này trong thời gian vừa qua và tới đây.

Nêu quan điểm về tích hợp vật liệu để nâng cao hiệu suất phát triển năng lượng mặt trời, GS. Marina Freitag, chuyên gia năng lượng và là nhà nghiên cứu của Hội nghiên cứu Hoàng gia tại Đại học Newcastle (Vương quốc Anh), cho rằng chúng ta đang cần phải vươn tới những giới hạn mà các vật liệu có thể thực hiện được. Vật liệu Silicon là đáng tin cậy và hiệu quả nhưng đến năm 2050, nhu cầu năng lượng toàn cầu sẽ tăng 40%, đặt ra vấn đề yếu tố bền vững, nhất là các công trình được lắp đặt, tăng hiệu suất và tận dụng không gian đất và các vật liệu để sản xuất pin mặt trời

Chia sẻ về một trong những vật liệu hứa hẹn, GS. Marina Freitag chỉ rõ: Perovskite là một loại tinh thể đặc biệt có thể kết hợp với các kim loại như chì hoặc thiếc, tạo ra những tế bào quang điện có khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng với hiệu suất cao hơn nhiều so với silicon truyền thống.

"Nhu cầu năng lượng của chúng ta, đặc biệt là ở Châu Á, sẽ tăng 40% trong 20 năm tới. Trên thực tế, nhu cầu này phải được đáp ứng bằng năng lượng mặt trời, đó là cơ hội duy nhất.

Tuy nhiên, vì năng lượng mặt trời không liên tục nên phải được tích hợp khả năng lưu trữ càng sớm càng tốt".

Khi kết hợp perovskite với silicon, có thể giảm tới 80% lượng silicon cần sử dụng, đồng thời tăng cường khả năng chuyển đổi năng lượng, giảm chi phí sản xuất. Sự kết hợp này tạo ra thay đổi lớn trong việc tự lắp đặt, đặc tính ổn định khi xếp chồng lên nhau, dễ tái chế hơn…

Ngoài ra, nếu thêm vật liệu sẽ giảm được thời gian hoàn vốn là 4 tháng, giảm được 50% phát thải CO2.

Cũng theo chuyên gia này, việc phát triển các vật liệu mới không chỉ là một giải pháp kỹ thuật mà còn phải xem xét đến tính bền vững và khả năng thích ứng với các điều kiện môi trường khác nhau. Những vật liệu như perovskite có thể tồn tại lâu dài, nhưng cần phải đảm bảo không gây hại cho môi trường. Điều này mở ra một hướng đi quan trọng trong phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

Bên cạnh các vật liệu mới cho pin năng lượng mặt trời, tại diễn đàn, GS. Seth Marder, Giám đốc Viện Năng lượng tái tạo và bền vững (Đại học Colorado Boulder, Hoa Kỳ), đã chia sẻ vai trò của polyme trong phát triển các sản phẩm bền vững.

GS Seth Marder nhấn mạnh, để xây dựng một tương lai bền vững cần thay đổi cách thức sản xuất và tiêu thụ polyme. Cần phát triển các polyme phân hủy sinh học, dễ tái chế và có thể tháo rời, phân hủy để trả lại các vật liệu ban đầu cho chu trình sản xuất.

Polyme tồn tại lâu vì tính ổn định, nên cần thiết kế sản phẩm có chức năng phù hợp nhưng có thể tháo rỡ, phân hủy để trả về các vật liệu ban đầu. “Vì thế, cần suy nghĩ việc xử lý vật liệu ngay từ khi thiết kế, cơ chế tháo rỡ, tái thiết kế, sinh khối, xử lý vòng đời sản phẩm ngay từ ban đầu. Điều này cần sự hợp tác chung tay liên ngành”.

Polyme làm tế bào pin mặt trời gắn chặt với nhau, vậy phải tuần hoàn thế nào? Chuyên gia này đặt vấn đề và cho rằng cần cải thiện quy trình thiết kế và quan trọng nhất không phải là công nghệ mà là thay đổi hành vi cá nhân.

Tại tọa đàm, các nhà khoa học cũng thảo luận về vật liệu bền vững, vật liệu tái tạo và vai trò của AI trong  sàng lọc vật liệu đáp ứng ngay từ yêu cầu ban đầu.

Theo GS.Marina Freitag, AI đang đẩy nhanh quá trình xác định vật liệu thân thiện với môi trường, hiệu suất cao. Các mô hình học máy dự đoán các đặc tính của vật liệu và tối ưu hóa hiệu năng và độ ổn định của vật liệu; giảm thời gian và nguồn lực trong quá trình R&D, ưu tiên sử dụng các vật liệu bền vững.

Các chuyên gia nhấn mạnh việc kết hợp các công nghệ mới, phát triển và ứng dụng vật liệu tiên tiến trong năng lượng tái tạo là những yếu tố cốt lõi để đạt được mục tiêu năng lượng xanh, phát triển bền vững, phát thải thấp, hiện thực hóa mục tiêu NetZero.