Pin điện mặt trời hiệu suất kỷ lục giành cho các thiết bị không gian

Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia (NREL) Bộ Năng lượng Mỹ chế tạo thành công một pin mặt trời với hiệu suất kỷ lục 39,5% dưới chất lượng chiếu sáng trực tiếp 1- mặt trời. Đây là pin mặt trời có hiệu suất cao nhất từ trước tới nay, được đo bằng điều kiện tiêu chuẩn 1 Mặt trời.

Myles Steiner, một nhà khoa học cấp cao trong Nhóm Quang điện tinh thể hiệu suất cao (PV) của NREL, nghiên cứu viên chính của dự án cho biết, tế bào mới hiệu quả và có thiết kế đơn giản hơn,được sử dụng cho nhiều ứng dụng mới, hạn chế về diện tích hoặc những ứng dụng trong không gian vũ trụ có bức xạ thấp". Ông làm việc cùng với các đồng nghiệp NREL Ryan France, John Geisz, Tao Song, Waldo Olavarria, Michelle Young và Alan Kibbler.

Chi tiết của công trình nghiên cứu được đăng tải trong bài báo "Pin mặt trời ba điểm tiếp giáp với 39,5% trên mặt đất và 34,2% hiệu suất không gian, được kích hoạt bởi các giếng lượng tử dày siêu kết tụ " trên tạp chí Joule số tháng 5 .

Năm 2020, các nhà khoa học của NREL đã lập kỷ lục với pin mặt trời 6 điểm nối có hiệu suất 39,2% sử dụng vật liệu III-V.

Một số pin mặt trời tốt nhất hiện nay phát triển trên kiến ​​trúc đa chức năng biến chất đảo ngược (IMM), phát minh tại NREL. Pin mặt trời IMM 3 điểm tiếp giáp mới được cải tiến này được đưa vào Biểu đồ Nghiên cứu Hiệu quả Tốt nhất về pin mặt trời. Biểu đồ cho thấy sự thành công của pin mặt trời thử nghiệm, vượt kỷ lục IMM 3 điểm nối trước đó là 37,9% do công ty Sharp Corporation của Nhật Bản thiết lập năm 2013.

Sơ đồ cấu trúc tế bào quang điện pin điện mặt trời 3 điểm tiếp xúc giếng lượng tử. Ảnh NREL,

Sự tăng cường hiệu suất trong nghiên cứu về pin mặt trời "giếng lượng tử" có được nhờ sử dụng nhiều lớp rất mỏng sửa đổi các đặc tính của pin mặt trời. Các nhà khoa học đã phát triển một tế bào năng lượng mặt trời giếng lượng tử với hiệu suất chưa từng có và triển khai thành một thiết bị có 3 điểm nối với các khe năng lượng khác nhau, trong đó mỗi điểm giao nhau được điều chỉnh để thu nhận và sử dụng những phần khác nhau của quang phổ mặt trời.

Vật liệu III-V, được đặt tên này vì vị trí của vật chất trong bảng tuần hoàn, trải dài trên hàng loạt các khe năng lượng, cho phép hướng đến các phần khác nhau của quang phổ mặt trời.

Điểm tiếp giáp trên cùng được làm bằng gali indium phosphide (GaInP), phần giữa là gali arsenide (GaAs) với các giếng lượng tử và phần đáy là mạng tinh thể gallium indium arsenide không khớp (GaInAs). Những vật liệu này đã được tối ưu hóa cao qua nhiều thập kỷ nghiên cứu.

TS Ryan France, nhà thiết kế tế bào quang điện, đồng tác giả nghiên cứu cho biết, GaAs là một vật liệu tuyệt vời và thường được sử dụng trong những tế bào đa chức năng III-V, nhưng không có khe năng lượng (bandgap) chính xác cho một tế bào ba điểm nối, do đó sự cân bằng của dòng quang giữa ba tế bào không được tối ưu. Nhóm nghiên cứu đã sửa đổi bandgap những vẫn duy trì chất lượng vật liệu bằng giải pháp sử dụng các giếng lượng tử nhằm nâng cao hiệu suất của thiết bị này và có thể cho những ứng dụng tiềm năng.

Nhóm nhà khoa học đã sử dụng các giếng lượng tử ở lớp giữa để mở rộng dải tần của tế bào GaAs, tăng lượng ánh sáng mà tế bào quang điện có thể hấp thụ. Nhóm đã phát triển thành công các thiết bị giếng lượng tử dày về quang học nhưng không bị hao hụt điện áp lớn. Nhóm nghiên cứu đã ủ gia nhiệt tế bào trên cùng GaInP trong quá trình phát triển để tăng cường hiệu suất và cách giảm thiểu mật độ lệch luồng trong mạng tinh thể GaInA không khớp. Về cơ bản, 3 vật liệu này đã hình thành một cấu trúc thiết kế tế bào quang điện mới.

Tế bào III-V có hiệu suất cao, nhưng quy trình sản xuất truyền thống rất tốn kém. Tế bào quang điện III-V được sử dụng để cung cấp năng lượng cho những ứng dụng cao cấp như vệ tinh không gian, máy bay không người lái và những công nghệ cao cấp khác. Nhóm nghiên cứu tại NREL nỗ lực giảm thiểu chi phí sản xuất tế bào III-V để các tế bào này có hiệu quả kinh tế cao hơn.

Tế bào III-V mới cũng được thử nghiệm hiệu quả hoạt động trong các phương tiện bay không gian như các vệ tinh thông tin liên lạc, sử dụng nguồn năng lượng từ pin mặt trời với hiệu suất đạt 34,2% bắt đầu sử dụng. Thiết kế hiện nay của tế bào phù hợp với môi trường bức xạ thấp và các nhà khoa học đang phát triển cấu trúc của tế bào đối với môi trường bức xạ cao hơn.