Pin mặt trời làm từ chất dẻo
Các pin mặt trời chất dẻo vẫn chưa thể cạnh tranh được với các pin mặt trời silic về hiệu suất sản xuất điện năng ở quy mô lớn. Nhưng chúng đã đủ phẩm chất để ít nhất có một công ty là Konarka ở Lowell đang nỗ lực biến chúng thành sản phẩm thương mại.
Quân đội, Không lực Mỹ và Textronics, một công ty ở Wihmington, hiện nay đang kết hợp các pin mặt trời của Konarka vào lều bạt để cung cấp điện cho máy tính và vào vải may túi xách để nạp điện cho điện thoại di động và máy tính xách tay.
Các pin mặt trời của Konarka được in hoặc phủ lên màng chất dẻo (giống như cuộn phim chụp ảnh). Các hạt nhỏ ở trên màng sẽ hấp thụ ánh sáng và sản sinh ra các điện tử, chuyển động đến các điện cực để tạo thành dòng điện.
Konarka cũng cho thấy là các vật liệu trong pin có thể được hiệu chỉnh để có thể hấp thụ hoặc phản xạ các bước sóng ánh sáng khác nhau, và khác với các vật liệu pin mặt trời thông thường, màng chất dẻo có thể tạo ra các hình dạng khác nhau. Theo Textronics, một đối tác của Konarka, thì thành phẩm của công ty có thể có hình thức giống như vải thông thường.
Mục tiêu mà Konarka muốn vươn tới là làm cho điện mặt trời mà hiện nay có giá cao gấp 4-5 lần so với điện lưới, có thể cạnh tranh được với nhiên liệu hóa thạch.
Một cách tiếp cận nữa là chế tạo vật liệu quang điện từ polyme dẫn điện và các cấu trúc nano có tên là fullerene, hay quả cầu bucky (đó là những phân tử được tạo ra từ các nguyên tử cacbon). Thoạt đầu, khi mới ứng dụng vật liệu này để làm pin mặt trời, hiệu suất biến đổi ánh sáng thành điện năng của chúng rất thấp, chỉ đạt 1-2%. Tuy nhiên, thời gian gần đây, bằng cách bố trí lại các polyme và fullerene, một số nhóm nghiên cứu như nhóm của David Carroll thuộc Wake Forest, Alan Heeger thuộc Trường đại học California ở Santa Barbara và Yang Yang thuộc Trường đại học California ở Los Angeles, đã cải thiện được độ lưu thông của dòng điện trong vật liệu, nâng được gấp đôi hiệu suất biến đổi ánh sáng thành điện. Nếu các nhà nghiên cứu có thể tăng thêm được gấp đôi nữa thì những pin này sẽ cạnh tranh được với các pin mặt trời hiện có. Bước tiếp theo là làm cho pin cạnh tranh được với pin nhiên liệu hóa thạch. Để thực hiện được, cần phải vượt qua những trở ngại lớn. Ví dụ, một biện pháp để tăng hiệu suất là tăng được lượng ánh sáng thực tế do pin hấp thụ. Theo Sean Shaheer, một chuyên gia về điện mặt trời thuộc Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia ở Golden, điều này có thể đạt được bằng cách tạo ra loại vật liệu có khả năng hấp thụ được nhiều màu hơn trong phổ ánh sáng - đây là ý tưởng mà ông đang thúc đẩy phát triển.
Các công trình nghiên cứu về các công nghệ điện mặt trời mới đang đạt được nhiều tiến bộ cả ở các phòng thí nghiệm của các công ty lẫn ở khu vực hàn lâm. Các nhà khoa học tin rằng sẽ tạo được những pin mặt trời đạt hiệu suất và có giá rẻ để kết cục giúp nhân loại khỏi bị lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch.
Chế tạo pin mặt trời từ dây nano
Để tiến tới có được những pin mặt trời có giá thành rẻ hơn và hiệu suất cao hơn, các nhà nghiên cứu ở trường đại học California, Berkeley đã chế tạo các pin mặt trời từ hàng tỷ sợi dây nano, mỗi sợi có đường kính 60 nano và chiều dài 20 micron. Dây nano được làm từ oxyt kẽm và phủ chất hấp thụ ánh sáng, dẫn điện hiệu quả hơn gấp 100 lần so với pin mặt trời chế tạo từ hạt nano mà hiện nay các nơi đang phát triển. Tuy nhiên, hiệu suất biến đổi ánh sáng thành điện của pin vẫn còn thấp, chỉ đạt khoảng 1,5%.
Tầm quan trọng
Pin mặt trời chế tạo từ silic có giá thành rất đắt. Việc thay thế silic bằng vật liệu nano hứa hẹn sẽ làm giảm được giá thành. Những hiệu suất biến đổi ánh sáng thành điện ở các pin mặt trời nano thường thấp, chủ yếu là do các điện tử phải lách qua khe hở giữa các hạt nano nhồi trong pin. Bằng cách thay các hạt nano bằng các sợi dây nano đơn tinh thể, hiệu suất của pin đã được nâng lên. Tiến bộ quan trọng này có thể sẽ đem lại những pin mặt trời có hiệu suất cao hơn.
Phương pháp
Các nhà nghiên cứu đứng đầu là nhà hóa học Peidong Yang đã tạo ra mạng dây nano bằng cách lèn bề mặt thủy tinh dẫn điện các "chấm" (Dot) oxyt kẽm, có đường kính 4 nano. Các "chấm" này có công dụng là những hạt giống để phát triển thành dây.
Bước cần làm tiếp theo
Mặc dù sự chuyển động của điện tử ở trong pin làm từ dây nano đã được cải thiện, nhưng hiệu suất nói chung vẫn còn thấp. Oxyt kẽm thu lượm điện tử từ chất nhuộm kém hiệu quả hơn so với dioxyt titani là chất hay được sử dụng nhiều hơn trong pin mặt trời nano. Các nhà nghiên cứu hiện nay đang tìm cách chế tạo dây từ dioxyt titani - một quy trình chế tạo khó khăn hơn.
Các dây nano cũng có diện tích bề mặt nhỏ hơn so với mạng các hạt nano, bởi vậy chúng cũng mang được lượng chất nhuộm hấp thụ ánh sáng ít hơn. Các nhà nghiên cứu đang tiến hành giảm bớt đường kính của sợi dây xuống còn 10 nano để có thể đưa được nhiều dây hơn vào trong mạng và tăng tổng diện tích bề mặt. Yang dự đoán rằng nhóm của ông có thể tạo được pin có hiệu suất lên tới 10% hoặc cao hơn.
Các loại pin công suất lớn
Một loại pin mới, xạc điện nhanh hơn sẽ được ứng dụng để cấp điện cho các dụng cụ điện và ô-tô lai
Từ nhiều năm nay, pin lithium đã được dùng để cấp điện cho điện thoại di động và máy tính xách tay. Nhưng chúng không được dùng cho các máy có công suất lớn hơn như máy khoan, máy cưa và ôtô lai, do giá thành cao, không tạo ra dòng điện đủ lớn và vấn đề an toàn. Tuy nhiên, theo A123 Systems, một công ty mới khởi sự tại Watertown, thì mọi điều đó hiện đã thay đổi. Công ty này đã chế tạo ra loại pin lithium mới, dựa theo sản phẩm nghiên cứu của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), có thể thích hợp cho các ứng dụng cần công suất lớn. Pin có mật độ điện năng cao (được đo bằng công suất trên khối lượng của pin) cho thấy pin sẽ nhẹ hơn so với các loại pin có cùng công suất. Loại pin mới này đã có cơ hội để khẳng định mình: chúng sẽ được lắp vào các dụng cụ được để đưa ra chào bán vào đầu năm 2006 và có thể được ưa thích hơn so với các máy khoan/máy cưa có dây cắm điện.
"Khách hàng đầu tiên là các hãng sản xuất dụng cụ điện, nhưng pin sẽ được dùng cho ô tô và các dụng cụ y tế, nói chung là tất cả cá thiết bị cần nguồn điện công suất lớn". Ric Fulop, người sáng lập của A123 Systems và là Phó Chủ tịch phụ trách kinh doanh của Công ty, cho biết như vậy.
Yet Ming Chiang, Giáo sư về Vật liệu học ở MIT cũng nhận định "loại pin này sẽ có tác động lớn tới các ô-tô điện nhiên liệu kép".
Cùng khối lượng với loại pin dùng cho máy khoan 18V, pin lithium có thể cung cấp dòng điện 36 V. Công suất đỉnh của pin có thể sản ra là 3.000W, nghĩa là lớn gấp đôi so với công suất của máy khoan và máy cưa được thiết kế để dùng điện lưới.
Các loại pin mới này dựa vào kết quả nghiên cứu của Giáo sư Chiang ở MIT. Ông đã tiến hành áp dụng một vật liệu mới, lithium photphat sắt, hứa hẹn tạo ra dung lượng cao cho pin, nhưng có một trở ngại lớn đặt ra là không ổn định khi cung cấp các dòng điện lớn. Chiang đã phát hiện ra rằng nếu bổ sung tạp chất vào vật liệu thì sẽ tạo được độ dẫn điện cao hơn.
Công ty đã đặt vấn đề với các hãng chế tạo ô tô và Bộ Năng lượng Mỹ đang tiến hành để xem có đáp ứng các yêu cầu về tuổi thọ và công suất để ứng dụng cho các ô tô điện kiểu lai hay không.
Triển vọng tương lai
Nghiên cứu pin lithi còn có ý nghĩa lớn đối với tương lai. Sự cần thiết phải giảm bớt lượng khí cacbon phát thải và tìm phương án thay thế lâu dài cho dầu mỏ đã khiến nhiều người trông mong vào nguồn nhiên liệu hydro để cung cấp năng lượng cho các xí nghiệp và ô tô, hình thành nên khái niệm "nền kinh tế hydro". Tuy nhiên, theo Donal Sadoway, Giáo sư Khoa Vật liệu học ở MIT thì hướng nghiên cứu pin nhiên liệu (thiết bị tiêu thụ hydro để sản ra điện) kết cục sẽ đi vào ngõ cụt, bởi lẽ điều nan giải là phải phá vỡ mối liên kết đồng hóa trị trong phân tử H2 để nhận được H, đòi hỏi phải có chất xúc tác đắt tiền. Pin lithi có thể là một giải pháp, và trong tương lai sẽ là nền kinh tế lithi, chứ không phải là nền kinh tế hydro.
Giáo sư Sadoway đã nhận được 13 bằng sáng chế, nhiều giải thưởng và xuất bản trên 100 tài liệu về tương lai của pin và các ô-tô chạy hoàn toàn bằng điện. Dưới đây là ý kiến của ông:
...”Tôi không tin rằng pin nhiên liệu sẽ là giải pháp cung cấp điện cho ô tô trong tương lai. Đúng là nó có thể khắc phục được vấn đề phát thải khí cacbon, vì phụ phẩm nó sản sinh ra là hơi nước. Nhưng vấn đề nan giải là sẽ phải đối phó với khí hydro phân tử, và đây chính là điều sẽ dẫn công việc nghiên cứu đi vào ngõ cụt. Đâu sẽ là kết cấu hạ tầng? Ta có thể lấy hydro ở đâu? Còn nữa, hydro là phân tử, tức là H2. Phải phá vỡ nó để nhận được H+, tức là ta phải đi từ H2 đến H, mà mối liên kết đồng hóa trị này cực kỳ chắc chắn. Để phá vỡ mối liên kết này cần phải có chất xúc tác, đó là những kim loại quý như platin và palladi. Bạn có biết platin có giá thế nào không? Lithi cũng đắt, nhưng không thấm so với platin. Hiện tại, lithi có giá thành là 40 USD/pound, trong khi đó giá của platin là 500 USD/ounce.
Các ô tô chạy hoàn toàn bằng điện hiện nay còn có nhược điểm là không thể chạy được xa cho một lần xạc điện. Vấn đề đặt ra cho lĩnh vực phát triển pin là tìm ra loại hợp chất thích hợp, nhưng cái khó là có quá nhiều phương án khả dĩ mà ta phải dùng phương pháp thử và sai để loại bỏ những phương án không đáp ứng yêu cầu. Hiện GerbrADN Ceder, Giáo sư vật liệu học ở MIT đang ứng dụng các nguyên lý của cơ học lượng tử để dự báo các hợp chất vẫn chưa được tổng hợp. Với kiến thức kỹ thuật vật liệu điện toán của Ceder, chúng ta có khả năng nhận dạng được những hợp chất trước đây chưa được quan tâm ứng dụng.
Hiện ngay bây giờ, ta có thể dễ dàng nâng dung lượng điện của pin lithi lên gấp đôi. Nhưng nếu sử dụng được crôm để làm catot cho pin, thì có thể đạt dung lượng điện 600-700 W/kg. Lúc đó ta có thể nói lời chia tay với nền kinh tế hyđrô”.
Nguồn: Technology Review, 2/2006