Nghiên cứu và phát triển công nghệ chế tạo các phần tử pin mặt trời màng mỏng CIGS

Nhiều nhà khoa học quan tâm

GS. Võ Thạch Sơn cho biết, việc nghiên cứu pin mặt trời màng mỏng CIGS đang thu hút sự quan tâm đặc biệt lớn của nhiều nhà khoa học. Điều này được thể hiện ở số các công trình mà các tác giả trên thế giới đã công bố trong thời gian gần đây về lĩnh vực này. Ví dụ: trong năm 2008, số các công trình khoa học liên quan đến họ vật liệu CIGS được công bố là khoảng 15 công trình thì chỉ trong 6 tháng đầu năm 2013 là 79 công trình. 

Thời gian gần đây, việc nghiên cứu pin mặt trời màng mỏng CIGS càng được quan tâm khi người ta nhận thấy khả năng sử dụng loại cấu trúc này trong công nghệ không gian. Năm 2010, Trường Đại học Illinois hợp tác cùng Trung tâm NASA (Mỹ) nghiên cứu thành công phương pháp công nghệ mới có tên là “AA CVD” (Aerosol Assisted Chemical Vapor Deposition) cho phép lắng đọng lớp hấp thụ CuIn(Ga)S2(Se) trên các vật liệu hữu cơ.

Từ thực tế trên, GS. Võ Thạch Sơn cùng các cộng sự đã đề xuất thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ Spray ILGAR để chế tạo các phần tử pin mặt trời màng mỏng cấu trúc Me/ZnO/CdS(InxSy)/Cu(In,Ga)(S,Se)2/Me/Glass” với mục tiêu làm chủ công nghệ lắng đọng các lớp chức năng trong cấu trúc  bằng phương pháp Spray ILGAR và các vấn đề liên quan khác. Đây là phương pháp công nghệ đơn giản và rẻ tiền nhưng vô cùng hiệu quả và phù hợp với điều kiện Việt Nam. Nó đơn giản và rẻ tiền ở chỗ không đòi hỏi các thiết bị đắt tiền như các hệ lắng đọng bằng phương pháp chân không (hệ bay hơi bằng chùm điện tử, bay hơi bằng phún xạ magnetron hoặc RF, bay hơi bằng nguồn xung laser…). Ngoài ra, một ưu điểm rất lớn của phương pháp Spray ILGAR là dễ dàng điểu chỉnh hợp phần hóa học của màng và khả năng lắng đọng chúng trên diện tích lớn. Với ưu điểm như vậy, phương pháp công nghệ Spray ILGAR thực sự đã mở ra hướng giải quyết hai khuyết điểm chính của pin mặt trời thế hệ trước đó là giá thành cao và hiệu suất thấp.

“Việc nghiên cứu sử dụng và làm chủ phương pháp công nghệ Spray ILGAR thực sự mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn. Tuy nhiên, cấu trúc pin mặt trời màng mỏng này còn tồn tại một khuyết điểm lớn cần khắc phục đó là sự già hóa của nó. Quá trình già hóa này trở nên đặc biệt nghiêm trọng ở điều kiện nhiệt đới khắc nghiệt khi các modul pin mặt trời làm việc trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm cao. Vì vậy việc nghiên cứu chống già hóa là một trong các mục tiêu của đề tài”, GS. Võ Thạch Sơn cho hay.

Các công đoạn công nghệ được nghiên cứu bằng thực nghiệm dựa trên các nghiên cứu trước đây, có chú ý đến các kết quả mới nhất mà các tác giả khác công bố trong các lĩnh vực có liên quan. Các công đoạn công nghệ được khảo sát, đánh giá và hiệu chỉnh lại dựa trên các nghiên cứu phân tích các thông số vật lý phản hồi lại như: Cấu trúc và thành phần học của màng lắng đọng, hình thái học bề mặt của màng… Quá trình già hóa được nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng với trợ giúp của phần mềm AMPS ID và SCAPS. Điều kiện già hóa được mô tả tương tự điều kiện nhiệt đới nóng ẩm của Việt Nam.

Tại Việt Nam, hiện nay, một phần trong các nội dung Đề tài nghiên cứu đang được nghiên cứu triển khai tại Phòng thí nghiệm Phân tích và Đo lường Vật lý, Viện Vật lý Kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội. Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu và ổn định công nghệ lắng đọng màng mỏng CIGS. Cùng với đó là chế tạo thử nghiệm các tế bào mặt trời và tiến hành khảo sát các thông số quang - điện. Hiện nay, nhóm thực hiện đề tài đang tiến hành nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng cấu trúc Me/ZnO/CdS(InxSy)/Cu(In,Ga)(S,Se)2/Me/Glass và nghiên cứu mô phỏng quá trình già hóa của cấu trúc này. Các nội dung nghiên cứu hoàn toàn cập nhật so với các nghiên cứu mà các nhà khoa học các nước tiên tiến trên thế giới đang thực hiện.

Tác động lớn đối với đời sống xã hội

GS. Võ Thạch Sơn cho biết, các sản phẩm của Đề tài đều thuộc lĩnh vực công nghệ cao và đang trong quá trình nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Do vậy, những kết quả nghiên cứu chắc chắn sẽ mang tính học thuật và tính thời sự cao. Mặt khác các sản phẩm đều có yêu cầu cao về công nghệ ứng dụng và đạt tiêu chuẩn tương đương với các sản phẩm của nước ngoài. Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ Spray ILGAR và các sản phẩm từ công nghệ này cho thấy trình độ khoa học cao.

Hiện nay, tại thị trường Việt Nam, chưa có nghiên cứu nào đưa ra con số thống kê đầy đủ về nhu cầu sử dụng các sản phẩm ứng dụng năng lượng tái tạo. Nếu đáp ứng được các tiêu chí về giá cả hợp lý, sử dụng thuận tiện trong điều kiện gia đình, đáp ứng được các đòi hỏi cao về kỹ thuật (yêu cầu sản xuất công nghiệp và các lĩnh vực đặc biệt khắt khe như công nghệ vũ trụ) chắc chắn rằng nhu cầu này là vô cùng lớn. Đây cũng là những ưu điểm của pin mặt trời thế hệ thứ 3 CIGS mà nhóm thực hiện đề tài đang hướng tới.

Việc nghiên cứu thành công công nghệ chế tạo các phần tử pin mặt trời màng mỏng là tiền đề tin cậy để đưa các sản phẩm vào sản xuất và trở thành hàng hóa. Giá rẻ, công nghệ chế tạo đơn giản không đòi hỏi các thiết bị đắt tiền của các modul pin mặt trời màng mỏng là ưu điểm vượt trội để cạnh tranh với các loại pin mặt trời đang tồn tại trên thị trường.

Thực hiện nghiên cứu công nghệ này giúp các tổ chức chủ trì và tham gia nâng cao trình độ công nghệ chế tạo thuộc lĩnh vực công nghệ cao, nâng cao trình độ lý luận và phương pháp nghiên cứu của cơ sở. Quá trình nghiên cứu còn giúp đào tạo được tập thể cán bộ nghiên cứu kết hợp đào tạo sau đại học ở trình độ cao. Cùng với đó là  khả năng chế tạo các thiết bị công nghệ đòi hỏi trình độ cao và tiếp nhận các sản phẩm khoa học và công nghệ tiên tiến. Đặc biệt là có thể kinh doanh các sản phẩm mới có giá thành rẻ hơn và hiệu quả hơn.