Pin mặt trời siêu mạnh đầu tiên trên thế giới: Có năng lượng vượt trội hơn 20 nhà máy hạt nhân, chỉ duy nhất quốc gia này ở châu Á sở hữu.

Với những cải cách công nghệ táo bạo, quốc gia này ở châu Á có thể khởi xướng một cuộc cách mạng năng lượng toàn cầu.

Quốc gia ở châu Á sở hữu công nghệ pin mặt trời vượt trội này chính là Nhật Bản.

Nhật Bản đã tuyên bố phát triển Pin mặt trời Perovskite (PSC) mạnh mẽ hơn 20 lò phản ứng hạt nhân kết hợp, tạo nên làn sóng trong ngành năng lượng tái tạo với sự tiến bộ đột phá có thể thay đổi cách thức sản xuất và tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới.

Không giống như các tấm pin mặt trời silicon truyền thống, PSC có đặc tính nhẹ, linh hoạt và dễ dàng tích hợp vào môi trường đô thị, đặc biệt là ở những thành phố đông đúc như Tokyo. Những tấm pin này có thể gắn lên mặt tiền các tòa nhà, cửa sổ, mái xe, thậm chí là đèn đường, mở ra một cách thu năng lượng mặt trời mới tại những nơi mà pin mặt trời thông thường không thể áp dụng.

Khả năng tối đa hóa năng lượng sản xuất tại các thành phố có không gian hạn chế khiến công nghệ Perovskite trở thành một bước ngoặt quan trọng trong việc thúc đẩy năng lượng bền vững, không chỉ cho Nhật Bản mà còn cho toàn cầu.

Với sự hỗ trợ từ chính phủ, Công ty Sekisui Chemical Co. hiện đang nghiên cứu và phát triển các mô-đun PSC tiên tiến, dự kiến sẽ ứng dụng rộng rãi trên thị trường toàn cầu vào những năm 2030.

Hai lĩnh vực năng lượng chiến lược của Nhật Bản

Sau thảm họa hạt nhân Fukushima năm 2011, Nhật Bản đã nỗ lực mạnh mẽ để giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hạt nhân, với mục tiêu rõ ràng: dẫn đầu cuộc chuyển đổi sang năng lượng tái tạo.

Trước đây, Nhật Bản là quốc gia đứng đầu trong sản xuất tấm pin mặt trời, nhưng đã bị Trung Quốc vượt mặt nhờ sản phẩm giá rẻ. Tuy nhiên, với sự hỗ trợ của chính phủ và công nghệ PSC (Perovskite), Nhật Bản đang dần tìm lại vị thế của mình.

Vào ngày 18/2, NHK đưa tin rằng Chính phủ Nhật Bản đã phê duyệt kế hoạch năng lượng cơ bản mới, trong đó đưa gió, mặt trời và các nguồn năng lượng tái tạo khác trở thành nguồn năng lượng chính vào năm tài chính 2040.

Dự báo đến năm 2040, năng lượng tái tạo sẽ chiếm từ 40% đến 50% tổng năng lượng tiêu thụ của Nhật Bản.

"Kế hoạch năng lượng mới nhất của Nhật Bản nhắm đến mục tiêu tạo sự cân bằng, không phụ thuộc quá nhiều vào một nguồn năng lượng hay nhiên liệu nào cụ thể, đồng thời thúc đẩy tăng trưởng kinh tế và giảm khí thải CO2" - Bộ trưởng Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản Yoji Muto phát biểu trên tờ NHK.

Kế hoạch năng lượng sạch mới nhất của Nhật Bản cho thấy quốc gia này không còn nhấn mạnh vào việc giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hạt nhân. Thay vào đó, năng lượng hạt nhân sẽ được kết hợp với năng lượng tái tạo, với tỷ lệ năng lượng tái tạo chiếm 50% và năng lượng hạt nhân chiếm khoảng 20%. Chiến lược này phù hợp với cam kết của Nhật Bản về mục tiêu phát thải ròng bằng 0 (Net Zero) vào năm 2050.

Để đạt được mục tiêu này, Nhật Bản vừa phát triển các lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới, vừa đẩy mạnh công nghệ pin mặt trời Perovskite (PSC).

Khám phá sức mạnh vượt trội của Pin mặt trời Perovskite

Thuật ngữ "Perovskite" được đặt theo tên của Lev Perovski, một nhà khoáng vật học người Nga, bởi Gustav Rose, một nhà khoáng vật học người Đức, vào năm 1839. Với công thức CaTiO3, Perovskite là một khoáng chất tự nhiên của canxi titan oxit và canxi titanat.

Mặc dù Perovskite có ứng dụng hạn chế, nhưng khi kết hợp với một số vật liệu vô cơ và hữu cơ, nó có thể trở thành chất bán dẫn Perovskite, mở ra khả năng sử dụng cho pin năng lượng mặt trời hiệu suất cao.

Vào năm 2009, nhà khoa học Nhật Bản Tsutomu Miyasaka đã phát minh ra pin mặt trời Perovskite đầu tiên. Ban đầu, hiệu suất của công nghệ này chỉ đạt 3%, nhưng qua thời gian, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ đã nâng cao hiệu suất của pin lên 25%, và dự đoán sẽ vượt qua 30% trong tương lai.

Khác biệt với các loại pin mặt trời silicon truyền thống, pin Perovskite có khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng hiệu quả hơn rất nhiều.

Pin mặt trời Perovskite được cấu thành từ nhiều lớp và hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng quang điện, trong đó dòng điện được sinh ra trong pin quang điện khi ánh sáng mặt trời chiếu vào - tương tự như các tấm pin mặt trời thông thường.

Khi một photon từ ánh sáng mặt trời chiếu vào lớp hấp thụ Perovskite, lớp này sẽ bị kích hoạt và giải phóng các electron, tạo ra các cặp electron-lỗ trống (eh). Các electron này tiếp tục di chuyển về phía lớp vận chuyển lỗ trống (HTL) và tiến tới dây dẫn, cung cấp năng lượng cho các tải kết nối, khởi động dòng điện, như giải thích bởi NES Fircroft - nhà cung cấp nhân sự kỹ thuật hàng đầu trong các lĩnh vực Dầu khí, Điện và Năng lượng tái tạo.

Pin mặt trời Perovskite: Ưu điểm và Thách thức

Ưu điểm:

Giảm đáng kể lượng khí thải CO2: Việc chuyển đổi 50% năng lượng toàn cầu sang năng lượng mặt trời nhờ pin mặt trời Perovskite có thể giúp giảm hơn 15 tỷ tấn CO2 trên toàn cầu.

Với kích thước nhỏ gọn, pin mặt trời Perovskite không chỉ mang lại hiệu quả vật liệu cao mà còn có khả năng tiết kiệm hàng triệu tấn CO2 trong quá trình sản xuất, giúp chúng trở thành lựa chọn bền vững cho một tương lai xanh hơn.

Hiệu suất vượt trội: PSC mang lại tỷ lệ chuyển đổi năng lượng cao hơn nhiều so với các tấm pin mặt trời truyền thống, cho phép chúng sản xuất điện năng lớn hơn trong không gian nhỏ hơn.

Tính linh hoạt và khả năng thích ứng: Những tấm pin này có thể được tích hợp vào nhiều bề mặt khác nhau như cửa sổ kính, mái nhà hay tường mà không cần chiếm thêm diện tích đất hay bất động sản.

Tiềm năng giảm chi phí: Mặc dù chi phí ban đầu vẫn còn khá cao, nhưng theo dự báo, PSC sẽ trở nên tiết kiệm hơn theo thời gian, với chi phí giảm xuống còn 10 yên/Watt vào năm 2040. Việc giảm giá thành này sẽ giúp năng lượng mặt trời trở nên dễ tiếp cận hơn với nhiều thị trường hơn.

Nhẹ và di động: Tính linh hoạt của PSC cho phép ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời đến các thiết bị đeo, mở rộng tiềm năng tạo ra năng lượng sạch.

Thách thức:

Vấn đề về độ bền: Dù công nghệ này rất tiềm năng, PSC vẫn phải đối mặt với thách thức liên quan đến sự ổn định lâu dài. Các vật liệu sử dụng không bền bỉ như các vật liệu trong tấm pin mặt trời truyền thống, điều này có thể dẫn đến sự phân hủy nhanh chóng khi tiếp xúc với các yếu tố môi trường như nhiệt độ và độ ẩm.

Chi phí sản xuất: Mặc dù chi phí sản xuất tổng thể dự kiến sẽ giảm dần theo thời gian, chi phí ban đầu để thiết lập quy trình sản xuất PSC vẫn còn khá cao so với sản xuất tấm pin mặt trời truyền thống.

Mối quan tâm về môi trường: Quá trình sản xuất PSC sử dụng một số vật liệu, như chì, có thể gây nguy hiểm cho sức khỏe. Mặc dù các nghiên cứu đang được thực hiện để giảm thiểu các rủi ro này, nhưng tác động môi trường từ việc sản xuất quy mô lớn vẫn là vấn đề cần được quan tâm.

Dù đối mặt với những khó khăn, Nhật Bản vẫn kiên trì nghiên cứu để giải quyết các thách thức trong việc triển khai PSC, với các kỹ sư không ngừng cải thiện độ bền của công nghệ này và giảm thiểu tác động môi trường. Khi công nghệ được hoàn thiện, kỳ vọng rằng Pin mặt trời Perovskite sẽ trở thành một phần quan trọng trong các nỗ lực toàn cầu vì năng lượng sạch và tái tạo.

Một trong những lợi thế lớn của Nhật Bản trong quá trình chuyển đổi năng lượng này là vị thế là nhà sản xuất iốt lớn thứ hai thế giới, một thành phần thiết yếu trong sản xuất PSC. Bằng cách tận dụng nguồn tài nguyên này, Nhật Bản có thể xây dựng chuỗi cung ứng độc lập và an toàn, giảm bớt sự phụ thuộc vào nhập khẩu và củng cố an ninh năng lượng. Đây là chiến lược giúp Nhật Bản không chỉ hỗ trợ ngành công nghiệp trong nước mà còn nâng cao vị thế trên thị trường năng lượng tái tạo toàn cầu.

Tham khảo: Japanenergyevent, NHK, NES Fircroft