Công nghệ PETE - một cải tiến mới trong lĩnh vực điện mặt trời

Như chúng ta đã biết, pin quang điện chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành điện. Mặc dù đã có nhiều cải tiến nhằm tăng hiệu suất của công nghệ quang điện nhưng kết quả vẫn chưa thực sự khả quang. Vì vậy, mới đây các nhà nghiên cứu thuộc đại học Stanford đã phát triển một phương pháp giúp nâng cao gấp đôi hiệu suất của công nghệ quang điện hiện tại và đồng thời giảm bớt giá thành sản xuất để năng lượng mặt trời có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác. Thay vì chỉ dựa trên hiện tượng quang điện gây nên bởi các photon ánh sáng, công nghệ mới có tên Photon Enhanced Thermionic Emission hay PETE, tạm dịch là quá trình kích thích photon thải nhiệt sẽ cùng 1 lúc kết hợp giữa ánh sáng và nhiệt từ bức xạ mặt trời để tạo ra điện.

Phó giáo sư kỹ thuật và khoa học vật liệu Nick Melosh

Công nghệ quang điện hiện tại sử dụng các tấm pin mặt trời để sản xuất điện. Tuy nhiên, nhiệt độ ngoài trời tăng cao sẽ làm giảm hiệu suất của pin quang điện. Theo phó giáo sư kỹ thuật & khoa học vật liệu Nick Melosh - người dẫn đầu nhóm nghiên cứu, PETE sẽ khắc phục nhược điểm này đồng thời mang lại hiệu suất vượt trội hơn so với công nghệ quang điện & nhiệt điện sẵn có. Bên cạnh đó, vật liệu để chế tạo các tấm pin quang điện theo công nghệ PETE cũng rẻ hơn vì vậy, nguồn năng lượng do PETE mang lại sẽ có giá phải chăng.

Thu lại năng lượng nhiệt:

Hầu hết pin quang điện sử dụng vật liệu bán dẫn là silic để chuyển đổi năng lượng từ photon ánh sáng thành điện. Tuy nhiên, loại pin này chỉ sử dụng 1 phần quang phổ ánh sáng, phần còn lại của quang phổ tạo ra nhiệt. Nhiệt làm hao hụt đến 50% năng lượng mặt trời khi chúng tiếp xúc với pin qua đó làm giảm hiệu suất pin quang điện. Các nhà nghiên cứu biết rằng, nếu lượng nhiệt này được thu lại, pin quang điện sẽ đạt hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên, vấn đề nằm ở chỗ, hệ thống chuyển đổi nhiệt thành điện cần một lượng nhiệt rất lớn để vận hành. Đến nay, vẫn chưa có ai đề ra giải pháp để kết hợp giữa công nghệ pin nhiệt điện và quang điện.

Nhóm nghiên cứu của giáo sư Melosh phát hiện ra rằng nếu phủ một lớp kim loại Xêzi lên vật liệu bán dẫn bên trong pin quang điện, pin sẽ có thể sử dụng cả ánh sáng lẫn nhiệt để sản sinh ra điện.

Trong khi hầu hết pin mặt trời bằng bán dẫn silic bị mất hoạt tính khi nhiệt độ tăng đến 100 độ C thì pin theo công nghệ PETE vẫn chưa gặp tình trạng này mặc dù thử nghiệm với nhiệt độ đến hơn 200 độ C.

Cánh đồng mặt trời:

Vì PETE hoạt động tốt với nhiệt độ cao nhất có thể đạt được đối với các tấm pin mặt trời lắp đặt trên mái nhà, thiết bị cũng sẽ hoạt động hiệu quả với các bộ hội tụ ánh sáng mặt trời với sức nóng lên tới 800 độ C. Điển hình là cánh đồng mặt tời tại sa mạc Mojave, Nam California, trạm điện mặt trời này cũng được lắp đặt các máy chuyển đổi nhiệt. Do đó, với việc sử dụng công nghệ PETE, trạm vừa sản xuất được nhiều điện hơn, vừa giảm được chi phí xây dựng khi kết hợp cả 2 công nghệ lại với nhau.

Giáo sư Melosh cho biết: "Ánh sáng sẽ tiếp xúc với lớp thiết bị PETE trước. Tại đây, cả quang lẫn nhiệt đều được tận dụng tối đa. Sau đó, chúng tôi sẽ đẩy nhiệt lượng thu được sang hệ thống chuyển đổi nhiệt điện có sẵn. Thật tiện lợi!"

Tăng hiệu suất đến 60%:

Các hệ thống pin quang điện không bao giờ tập trung đủ nhiệt để sử dụng trong việc chuyển đổi nhiệt thành điện. Tuy nhiên, giáo sư Melosh đã tính toán rằng quy trình PETE sẽ chiếm 50% hiệu suất sản xuất điện của một trạm năng lượng mặt trời tập trung. Nếu kết hợp với một hệ thống chuyển đổi nhiệt nữa, PETE có thể đạt tù 55 đến hơn 60%.

Kiểm chứng:

Một tấm vật liệu bằng Gali nitrit phủ Xêzi phát sáng rực rỡ trong buồng chân không.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một bán dẫn làm từ Gali nitrat trong nguyên mẫu thử nghiệm của PETE. Hiệu suất đạt được sau thử nghiệm thấp hơn những gì dự đoán về tiêm năng của PETE. Tuy nhiên, họ sử dụng Gali nitrat bởi đây là vật liệu duy nhất cho thấy khả năng chịu nhiệt cao.

Nếu vật liệu phù hợp hơn - chẳng hạn như bán dẫn Gali asenat được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử, hiệu suất của quy trình PETE sẽ đạt được như mong đợi 50 đến 60%.

Một ưu điểm khác của PETE là chỉ cần 1 ít vật liệu bán dẫn để tạo nên thiết bị. Giáo sư Melosh cho biết: "Với mỗi thiết bị, chúng tôi tính toán chỉ cần sử dụng 1 lát vật liệu kích thước chỉ 6 inch. Vì vậy, chi phí về vật liệu không còn đáng lo ngại nữa. Nếu thành công, năng lượng mặt trời có thể thực sự cạnh tranh với năng lượng hóa thạch."

Nguồn: Gizmag