Lên mạng ngày 30/6/2020
Điện mặt trời thắp sáng nhiều hơn nữa ?
G S Tôn Thất Trình
Các kỹ sư Hoa Kỳ đang đẩy mạnh ngành vật lý học tế bào photovoltaic nhắm một mục đích cố sản xuất điện từ mặt trời rẽ hơn điện than đá hiện nay ở Hoa Kỳ . Ai cũng yêu thích ý nghĩa của tế bao mặt trời photovoltaic: điện mặt trời luôn luôn sạch ( không ô nhiễm ) phát xuất trực tiếp từ ánh sáng mặt trời. Vấn đề là làm sao vượt qua được thực tế hổn độn làm cho kỷ thuật hoạt động tốt. Chẳng hạn, theo nhà vật lý học Michael J. Naughton, đại học Boston College, tế bào có hai chức năng: chụp bắt ánh sáng và làm ra năng lượng, lôi kéo họa kiểu tối hảo về pannen mặt trời đến hai hướng đối chọi nhau. Naughton nói: Photo - Ánh quang muốn nó dày, nhưng Voltaic - Điện thế lại muốn nó mỏng . Cho nên Naughton và các nhà khoa học khác suy tư như Naughton, đang xét lại những yếu tố căn bản của tế bào măt trời. Họ nhắm viết lại sách luật lệ và để cuối cùng làm ra năng lượng mặt trời phí tổn rẽ, canh tranh được với than đá và khí dầu.
Giới hạn của các tế bào mặt trời thế hệ hiện hửu thật rất rỏ rệt. Dù rằng hiệu năng các tế bào thi nghiệm lớn hơn 40%, đa số các họa kiểu thương mãi căn bản silicon đang khó khăn chiến đấu để có hiệu năng trên 20%. Hiệu năng càng thấp, lại càng cần thêm tế bào để tạo ra một số lượng điện nào đó. Điều này làm cho các photovoltaics cồng kềnh và đắt tiền. Thành quả là năm 2008, Hoa Kỳ chi sán xuất có 800 megawatts ( 800 000 kilowatts ) điện photovoltaics, nối vào mạng lưới điện quốc gia. Điện mặt trời hiện chỉ chiếm ít hơn 1/10 của một phần trăm mọi loại điện tiêu thụ ở Hoa Kỳ .
Naughton đang cố tâm tăng cường hiệu năng bằng các giải quyết tình thế tiến thoái lưỡng nan dày - mỏng ( thick- thin dilemma ). Ông giải thích: tế bào mặt trời càng dày thêm càng chụp bắt được nhiều ánh sáng hơn. Nhưng khi muốn tạo ra điện, mỏng là tốt nhất. Electron phải đi xa hơn ở tế bào dày, cho nến số electron đến lớp photovoltaic ít hơn, nơi chúng tạo ra điện sử dụng được. Phương pháp Naughton là cọng thêm một dàn trải dây thẳng đứng trên mặt bằng dẹp của một tế bào mặt trời, trông tựa một giường đinh nhỏ, để bắt thêm những tia sáng. Dù cho chúng chỉ cao vài micron thôi, các dây này, làm bằng kim loại, thường là bạc , và sơn một lớp mỏng silicon không hình thù nhất định- amorphous, có thể tăng đáng kể hiệu năng ( amorphous ở đây là thiếu một sắp xếp điều hòa các nguyên tử - atoms .Tương phản, một chất đặc tinh thể có một mô hình lập đi lập lại cấu tạo nguyên tử nội tạng). Ở xây dựng này, các tế bào mặt trời co thểtha^m thêm khoảng 10% ánh sáng mà không cần pannen dày hơn. các nhóm khảo cứu ở đại hoc Caltech và viện UC Berkeley đang cố làm nhưng loại tế bào tương tự tăng cường bằng dây - wire enhanced cells.
Một chắn đường khác cản ngăn tế bào mặt trời là phần lớn ánh sáng chúng thu thập xài phí, mất theo nhiệt lượng mà không chuyễn hóa thành điện. Khi ánh sáng mặt trời đụng vào một tế bào mặt trời, vài electron ở tế bào thu nhặt năng lượng nhưng mất mau lẹ năng lượng này theo thể thức năng lượng nhiệt ( nóng ) hơn là tan loảng ra làm thành phần của dòng điện. Ở đây, Naughton và đồng nghiệp cũng đang hoạt động hầu cải thiện luôn nó nữa. Họ đang cố tâm thu gom các electron gọi là hot electron nóng bỏng ( electron nóng bỏng - hot electron là một electron đem theo nhiều năng lượng hơn là electron điển hình trích ra làm thành điện ), trước khi năng lượng chúng tan biến mất. Họ hy vọng là lớp tinh thể tí xíu bán dẫn gọi là những điểm hạt lượng( quantum dot - điểm hạt lượng là một cụm nguyên tử nhỏ đến nổi đặc tính điện tử của nó được qui định theo những định luật của vật lý học hạt lượng ). có thể đủ khả năng để trích các electron cao năng lượng trước khi chúng nguội lạnh, theo tiềm thế tăng gấp đôi hiệu năng tế bào mặt trời. Nhóm Nauyton đã thành công trích các electron nóng bỏng trong một pannen dẹp siêu mỏng - superthin silicon , và kế tiếp đang dự tính phối hợp phương pháp này với kiến trúc dàn trải dây - wire array architecture.
David Carrol, nhà vật lý học viện đại học Wake Forest theo một phương pháp khác đối phó thách thức chụp bắt thêm mặt trời. Những pannen dẹp hiện hửu theo ông , chỉho.at động tốt nhất dưới ánh sáng trực tiếp của mặt trời; nhưng đa số tia góc thấp sáng sớm hay trưa sắp ngã chiều bị phản chiêu ra xa và mất đi. Cho nên Carrol và nhóm ông , đang phát triễn những tế bào mặt trời có cơ nắm bất ánh sáng tư nhiều góc suốt ban ngày. Tân tạo này có tên là Tế Bào Sợi - Fiber Cells, xây dựng trên những gói sợi lõi là gương . phết sơn băng một polymer sở hửu chủ rẽ tiền, chụp bắt các photon ngay cả của những góc xiêng và chuyễn hóa chúng thành điện. Rất nhiều gói có thể nối nhau tạo ra một lưới dẽo dang và theo lời Carrol, linh kiện căn bản không thèm để tâm đến góc ánh sáng đụng nhằm.
Nhưng tế bào như thế sẽ là lý tưởng cho mái nhà gia cư, nơi mặt trời thương đụng nằm theo những góc kỳ cục. Thay vì trông cậy vào những vật liệu photovoltaic đắt tiền tỉ như selenide đồng( copper ) indium gallium, FIberCell có thể hoạt động tốt với các tế bào căn bản polymer rẽ hơn. Carroll nói rằng hệ thống của ông có thể tăng gấp đôi hiệu năng các pannen qui ước , và ông sẽ gần đây gửi những mẩu FiberCells cho những thử nghiệm hiệu năng độc lập.
Mâu thuẩn dày- mỏng và ánh sáng mặt trời gián tiếp không chỉ là những giới hạn duy nhất ngăn chặn phát triễn các tế bào photovoltaic. Jan Seidel nhà vật lý học Berkeley đang giải quyết một khía cạnh khác, gọi là Kẻ hở Băng ( Kẻ hở Băng- Band Gap là ngưỡng cửa năng lượng cần thiết để kích thích một electron ở bán dẫn giúp nó mang theo năng lượng điện ).Trong ca này, khối đá vấp ngã là những vật liệu bán dẫn trong các tế bào mặt trời tỉ như silicon, trở thành dẫn điện và chỉ tạo ra năng lượng phản ứng với photon ở vài mức năng lượng nào đó. Vì chưng electron trong các bán dẫn này không thể tạo ra nhiều năng lượng hơn là chúng hấp thu ban đầu, các tế bào bị hạn chế cách nào bao nhiêu mức độ điên thế chúng tạo ra được. Mới đây Seidel và nhóm ông tìm thấy một vật liệu rẽ tiền gọi là ferrit bismuth có thể sản xuất cao thế phá vỡ xuyên qua giới hạn kẻ hở băng. Ông chưa hội nhập được vật liệu mới vào một tế bào mặt trời hoạt động được, nhưng những thành quả thí nghiệm ban đầu có vẽ đầy hứa hẹn. Vài rào cản trước ferrit bismuth vần còn, nhưng sẽ sẳn sàng phát hình vào giờ xem vô tuyến nhiều nhất: đó là Điện, tỉ lệ của năng lượng phát xuất, dựa vào, không những trên điện thế mà cũng ở dòng điện nữa. Cho đến nay, số lượng dòng điện mà Seidel có thể dỗ dành từ ferrit bismuth, vẫn còn quá nhỏ để làm ứng dụng thực tiễn, nhưng ông và đồng nghiệp đang cố tâm cải thiện điều này.
Vài kẻ đề xướng điện mặt trời nghĩ rằng giải pháp cuối cùng là dựa trên thay đổi hướng cơ bản, nâng cao photovoltaic ra khỏi mặt đất. Trên không gian, nơi không có bóng giâm hay ban đêm hay mây bao phủ , các cơ sở mặt trời có thể sản xuất điện không ngừng , với hiệu năng tốt nhất có thể có được. Thách thức ở đây sẽ làm lùn hẳn thách thức điện mặt trời ở mặt đất: làm ra những pannen đồ sộ trên quỉ đạo sẽ rất khó khăn trên phương diện kỷ thuật và phí tổn lớn, và kỹ sư cần phải họa kiểu an toàn hửu hiệu phóng luồng năng lượng trở lui về trạm tiếp nhận trên Trái Đất. Thế nhưng tiềm thế bồi hoàn lại phí tỗn cũng to lớn. Cơ quan Không Gian Nhật Bổn JAXA, vừa mới tuyên bố một dự án trị giá 21 tỉ đô la Mỹ làm ra những pannen mặt trời thương mãi khổng lồ diện tích hơn một dặm Anh vuông ( 2,59 km2 hay 259 ha ) trên không gian vào năm 2030. Cơ quan này cũng nhắm mục đích phóng lên một vệ tinh mặt trời thí nghiệm nhỏ hơn, một chục năm tới.
Các hảng tư cũng đang đổi số lên cao thêm, hầu chụp giựt điện mặt trời không gian. Tháng 12 năm 2009, bang Ca Li, Hoa Kỳ chấp nhận một giao dịch trong đó cơ sở tiện nghi khổng lồ điện và khí dầu Pacific Gas and Electricity, sẽ mua 200 000 kilowatts điện, từ hệ thống căn cứ không gian do tổ hợp Solaren Corporation sẽ phát huy vào năm 2016.
( chiêu theo nguyệt san Khám Phá - Discover số tháng 7/8, năm 2010 )
