Pin mặt trời Perovskite là gì? Ưu điểm & hiệu suất thực tế

Pin mặt trời Perovskite (Perovskite Solar Cell - PSC) là một loại tế bào quang điện thế hệ mới, sử dụng vật liệu có cấu trúc tinh thể Perovskite làm lớp hấp thụ ánh sáng chính để chuyển hóa quang năng thành điện năng.
Bài viết được tổng hợp từ đội ngũ chuyên gia DAT Group về thông tin cơ bản về nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm, các số liệu hiệu suất mới nhất và lộ trình thương mại hóa của pin mặt trời Perovskite, giúp bạn có cái nhìn đầy đủ và khách quan trước khi tìm hiểu sâu hơn.

Pin mặt trời Perovskite là gì?

Pin mặt trời Perovskite là loại pin quang điện thế hệ mới sử dụng vật liệu có cấu trúc tinh thể Perovskite (thường là hợp chất halogenua chì hoặc thiếc hữu cơ - vô cơ) làm lớp hoạt tính hấp thụ ánh sáng và chuyển hóa thành điện năng. Loại pin này nổi bật với hiệu suất tăng trưởng nhanh vượt trội và chi phí sản xuất thấp.

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời Perovskite

Hấp thụ ánh sáng, tạo ra hạt tải điện

Khi ánh sáng chiếu vào lớp Perovskite, vật liệu hấp thụ năng lượng photon và kích thích electron nhảy lên mức năng lượng cao hơn, để lại "lỗ trống" mang điện dương ở phía sau. Nhờ đặc tính riêng của Perovskite, các cặp electron - lỗ trống này tách rời nhau gần như ngay lập tức, tạo thành hai loại hạt tải điện tự do (electron và lỗ trống).

Tách và di chuyển điện tích

Cấu trúc nhiều lớp của pin tạo ra một điện trường nội, đẩy hai loại hạt đi hai hướng khác nhau:

• Electron di chuyển về lớp vận chuyển electron (ETL).

• Lỗ trống di chuyển về lớp vận chuyển lỗ trống (HTL).

Vì Perovskite cho phép hạt tải điện di chuyển quãng đường khá xa mà ít bị "triệt tiêu" giữa chừng, phần lớn điện tích tạo ra đều đến được nơi cần đến.

Thu điện tại các cực

Cuối cùng, điện tích được gom lại ở hai điện cực:

• ETL đưa electron tới cực âm (thường là điện cực kim loại).

• HTL đưa lỗ trống tới cực dương (thường là lớp màng dẫn điện trong suốt như FTO/ITO).

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời Perovskite

Từ năm 2009 đến nay, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của vật liệu Perovskite đã tăng từ 3.8% lên mức 25.5% trong phòng thí nghiệm, chỉ trong khoảng 10 năm. Đây là tốc độ cải thiện hiếm có đối với một vật liệu quang điện mới.

Ngoài yếu tố hiệu suất, quy trình sản xuất silicon cần nhiệt độ khoảng 1,400 độ C và tạo ra lượng phế liệu lớn khi cắt wafer. Trong khi đó, Perovskite có thể chế tạo ở nhiệt độ phòng thông qua các kỹ thuật xử lý dung dịch như spin coating hoặc in cuộn.

4 ưu điểm của pin mặt trời Perovskite

1. Khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu suất chuyển đổi cao

Tinh thể Perovskite có hệ số hấp thụ ánh sáng cao hơn silicon, nghĩa là chỉ cần một lớp vật liệu rất mỏng cũng đủ để hấp thụ phần lớn ánh sáng chiếu vào. Đặc tính này giúp pin mặt trời Perovskite duy trì hiệu suất chuyển đổi năng lượng tốt ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu, chẳng hạn như trời nhiều mây hoặc ánh sáng khuếch tán.

2. Quy trình sản xuất đơn giản, tiêu tốn ít năng lượng hơn silicon

Pin mặt trời silicon cần được nung ở nhiệt độ khoảng 1,400 độ C trong quá trình chế tạo, tiêu tốn nhiều năng lượng và tạo ra lượng phế liệu lớn khi cắt wafer. Ngược lại, Perovskite có thể chế tạo ngay ở nhiệt độ phòng.

Quy trình sản xuất phổ biến của pin Perovskite gồm các kỹ thuật xử lý dung dịch như sau:

• Spin coating: phủ dung dịch Perovskite lên bề mặt bằng lực ly tâm để tạo lớp màng mỏng đồng đều.

• In cuộn (roll-to-roll): in vật liệu liên tục trên bề mặt dạng cuộn, phù hợp sản xuất quy mô lớn.

Nhờ không cần công đoạn nung nhiệt độ cao và ít phát sinh phế liệu, quy trình sản xuất Perovskite được đánh giá tiêu tốn ít năng lượng hơn đáng kể so với silicon, đồng thời rút ngắn thời gian chế tạo.

3. Tính linh hoạt, có thể chế tạo trên nhiều bề mặt khác nhau

Khác với tấm pin silicon cứng và khá nặng, vật liệu Perovskite có thể được chế tạo dưới dạng màng mỏng, dẻo và nhẹ hơn nhiều. Đặc tính này cho phép sản xuất pin mặt trời trên các vật liệu nền đa dạng như nhựa, kính hoặc lớp phủ mỏng, thay vì chỉ giới hạn ở tấm silicon dạng khối.

Tính linh hoạt của Perovskite còn giúp tấm pin dễ uốn cong mà không làm giảm khả năng hoạt động. Đây là điểm khác biệt lớn so với pin silicon, vốn dễ nứt vỡ khi bị uốn cong hoặc lắp đặt trên bề mặt không phẳng.

4. Khả năng ứng dụng đa dạng ngoài mái nhà

Nhờ tính linh hoạt và khả năng chế tạo trên nhiều bề mặt, phạm vi ứng dụng của pin mặt trời Perovskite không chỉ dừng lại ở mái nhà. Một số hướng ứng dụng đang được nghiên cứu và thử nghiệm gồm:

• Cửa sổ và tường tích hợp năng lượng mặt trời (BIPV) trong các công trình xây dựng.

• Thiết bị điện tử di động và đồ dùng cầm tay cần nguồn năng lượng nhỏ gọn.

• Bề mặt cong hoặc không đồng đều như mái xe, thân thiết bị bay không người lái.

• Pin mặt trời sử dụng trong nhà, hấp thụ ánh sáng nhân tạo từ đèn LED để cấp điện cho các thiết bị điện tử công suất thấp.

Nhược điểm và thách thức của pin mặt trời Perovskite

• Độ bền và tuổi thọ còn thấp so với silicon: Pin silicon có thể hoạt động ổn định từ 25 đến 30 năm, mức suy giảm hiệu suất chỉ khoảng 0.8% mỗi năm. Trong khi đó, nhiều mẫu pin Perovskite hiện tại chỉ duy trì hiệu suất ổn định trong khoảng vài tháng đến 2.5 năm trong điều kiện thực tế

• Độ nhạy với nhiệt độ cao, độ ẩm và tia UV: Cấu trúc tinh thể Perovskite dễ bị phân rã khi tiếp xúc lâu với độ ẩm, nhiệt độ cao hoặc bức xạ tia cực tím.

• Vấn đề vật liệu chì và tác động môi trường trong sản xuất: Phần lớn pin Perovskite hiện nay sử dụng hợp chất chì hoặc thiếc halide trong lớp vật liệu hấp thụ ánh sáng.

• Rào cản mở rộng quy mô sản xuất thương mại: nhiều kết quả kỷ lục hiện tại chỉ mới đạt được ở quy mô phòng thí nghiệm, chưa được chứng minh khả năng lặp lại ổn định ở quy mô nhà máy.

Bảng so sánh pin mặt trời Perovskite và pin mặt trời silicon

Công nghệ pin mặt trời Tandem kết hợp Perovskite và silicon

Trước những hạn chế về độ bền của Perovskite đơn lớp, nhiều nhà sản xuất và viện nghiên cứu đang tập trung phát triển pin mặt trời Tandem, kết hợp lớp Perovskite phía trên với lớp silicon bền vững phía dưới. Cấu trúc nhiều lớp này tận dụng đồng thời ưu điểm hiệu suất cao của Perovskite và độ ổn định lâu dài của silicon.

Nhờ khả năng hấp thụ đồng thời hai dải bước sóng ánh sáng khác nhau, pin Tandem đạt hiệu suất vượt xa giới hạn của từng vật liệu đơn lẻ..

Về độ bền, một số nhà sản xuất đã đặt mục tiêu cụ thể để đưa công nghệ Tandem tiến gần hơn đến tiêu chuẩn thương mại. Oxford PV đặt mục tiêu đạt tuổi thọ 20 năm cho module Tandem Perovskite - silicon vào năm 2028, mức tuổi thọ được xem là ngưỡng tối thiểu để một sản phẩm điện mặt trời có thể bảo hành và ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

Tình hình nghiên cứu pin mặt trời Perovskite tại Việt Nam

Tại Việt Nam, một số cơ sở nghiên cứu đã bắt đầu tìm hiểu và thử nghiệm vật liệu Perovskite ứng dụng cho pin mặt trời. Nhóm nghiên cứu do Nguyễn Trần Thuật dẫn đầu tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã thực hiện đề tài chế tạo vật liệu Perovskite vô cơ, hữu cơ, ứng dụng cho lớp hấp thụ của pin mặt trời tiếp giáp dị thể.

Nhóm đã tổng hợp thành công các tiền chất muối hữu cơ cần thiết để chế tạo tinh thể Perovskite lai hữu cơ - vô cơ halogen.

Bên cạnh đó, Khoa Vật lý Kỹ thuật tại Đại học Bách khoa Hà Nội cũng đánh giá Perovskite là vật liệu có nhiều tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực quang điện, được kỳ vọng trở thành hướng nghiên cứu mũi nhọn cho ngành sản xuất pin mặt trời trong tương lai.

Lộ trình thương mại hóa pin mặt trời Perovskite trên thế giới

Theo Energy Solutions Intelligence dự báo , quá trình thương mại hóa pin mặt trời Perovskite sẽ trải qua nhiều giai đoạn:

• Giai đoạn 2026: mở rộng sản xuất thí điểm, bắt đầu thâm nhập thị trường nhà ở và các ứng dụng tích hợp kiến trúc (BIPV) ở quy mô nhỏ.

• Giai đoạn 2027: một số nhà sản xuất lớn dự kiến bắt đầu sản xuất hàng loạt.

• Giai đoạn 2027 đến 2028: các sản phẩm thương mại đại trà đầu tiên được kỳ vọng ra mắt, đi kèm chế độ bảo hành 20 năm trở thành tiêu chuẩn phổ biến.

Câu hỏi thường gặp về pin mặt trời Perovskite

Pin mặt trời Perovskite đã có bán trên thị trường chưa?

Có, nhưng ở quy mô rất hạn chế và chủ yếu dưới dạng dự án thí điểm quy mô công nghiệp (utility-scale), chưa phải sản phẩm bán lẻ phổ biến cho hộ gia đình.

Pin mặt trời Perovskite có an toàn không, có chứa chất độc hại không?

Phần lớn pin Perovskite hiện nay sử dụng hợp chất chì hoặc thiếc halide trong lớp vật liệu hấp thụ ánh sáng.

Đây là lý do các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm giải pháp đóng gói, xử lý chất thải phù hợp trước khi đưa công nghệ ra ứng dụng đại trà, nên chưa thể khẳng định tuyệt đối về mức độ an toàn môi trường lâu dài.

Vì sao pin mặt trời Perovskite chưa thay thế được pin silicon dù hiệu suất cao hơn?

Nguyên nhân chính nằm ở độ bền. Trong khi pin silicon có thể hoạt động ổn định 25-30 năm, nhiều mẫu pin Perovskite hiện tại chỉ duy trì hiệu suất ổn định trong vài tháng đến vài năm do nhạy cảm với nhiệt độ cao, độ ẩm và tia UV.

Có nên chờ pin mặt trời Perovskite phổ biến rồi mới lắp điện mặt trời không?

Với lộ trình thương mại hóa dự kiến còn kéo dài đến năm 2027-2028 và độ bền vẫn đang trong giai đoạn hoàn thiện, việc chờ đợi có thể khiến hộ gia đình bỏ lỡ nhiều năm tiết kiệm điện từ công nghệ silicon vốn đã được kiểm chứng ổn định.