Mở rộng nghiên cứu ứng dụng tấm quang điện mặt trời uốn dẻo tại Việt Nam

Tấm quang điện mặt trời uốn dẻo đang là một xu hướng nghiên cứu mới ở lĩnh vực khoa học vật liệu. “Trong tương lai gần, với xu thế sử dụng năng lượng sạch và tái tạo, thì đây là một nghiên cứu góp phần bảo vệ môi trường và chống biến đổi khí hậu toàn cầu. Do đó, ngày càng có nhiều ứng dụng trong việc sử dụng tấm quang điện mặt trời uốn dẻo, nhất là ngành hàng không vũ trụ”, TS. Lê Xuân Lực (ĐH SeoulTech, Hàn Quốc) chia sẻ.

 TS. Lê Xuân Lực

PV: Tấm quang điện mặt trời uốn dẻo được cấu trúc như thế nào, thưa anh?

TS. Lê Xuân Lực: Tấm quang điện mặt trời uốn dẻo là một module gồm nhiều vi tế bào quang điện (cell) kết nối với nhau bởi các điện cực kéo dài. Các cell được hình thành bởi nhiều lớp vật liệu xếp chồng lên nhau, trong đó quan trọng nhất là các lớp vàng và lớp GaAs/InGaP (vật liệu nhạy sáng) mỏng cỡ vài micromet. Đây là lớp vật liệu mỏng có chức năng chuyển đổi ánh sáng thành điện năng.

Tuy nhiên, lớp vật liệu GaAs/InGaP rất giòn và dễ dàng hư hỏng nếu cell pin bị uốn cong hoặc xoắn quá mức. Công đoạn chế tạo gồm các bước phủ vàng (Au) lên lớp vật liệu nhạy sáng GaAs/InGaP, sau đó là hàn kết nối điện cực rồi đóng gói chúng trong ethyl vinyl acetate (EVA). Bước cuối là phủ các lớp như sheet cover, optical adhensive và Polydimethylsiloxane (PDMS).

PV: Được biết, anh và cộng sự đã nghiên cứu phát triển module quang điện mặt trời uốn dẻo linh hoạt. Vậy, điểm mới của nghiên cứu là gì?

TS. Lê Xuân Lực: Đa số tấm quang điện mặt trời đã thương mại hóa có dạng tấm cứng nên có độ linh hoạt kém, độ giòn cao, dễ xảy ra nứt, gãy trong quá trình sử dụng nếu có ngoại lực tác động, hoặc được lắp đặt trên bề mặt không phẳng. Nguyên do là các tấm quang điện mặt trời chủ yếu sử dụng silicon, Indium gallium phosphide (InGaP) có độ giòn cao.

Từ thực tế này, chúng tôi hiểu điểm mấu chốt của tấm quang điện thế hệ mới là thiết kế lại cấu trúc vật liệu và thêm vào các lớp vật liệu mới để tăng khả năng uốn, xoắn, kéo linh hoạt trên các cell pin.

Nhóm nghiên cứu đã phủ thêm các lớp vật liệu trong suốt Polydimethylsiloxane (PDMS) và Optical adhesive trên nền các cell pin. Cũng như thiết kế tối ưu cấu trúc các lớp vật liệu trong cell pin để giảm ứng suất uốn tối đa và căng thẳng trên lớp nhạy sáng (GaAs/InGaP). Điều này đã cho kết quả rất rõ ràng: Giảm bán kính uốn dẻo của cell pin từ trên 10 mm xuống thấp hơn 4 mm, đồng thời làm tăng tính linh hoạt trên cell pin mà không gây ra hư hại trên lớp Gallium arsenide (GaAs). Hơn nữa, bề mặt lớp PDMS trên cùng được thiết kế dạng các rãnh tam giác lồi cỡ 15~20 micromet để khúc xạ ánh sáng từ các hướng và thu nhận được nhiều ánh sáng mặt trời hơn.

Thiết kế này đã tăng hiệu suất của pin từ 19,46% lên 21,77% điện năng được chuyển đồi từ quang năng so với các thiết kế bề mặt phẳng thông thường với kích thước 12x12 cell (43,56 cm2). Do đó, bằng cách thay đổi thiết kế với các rãnh tam giác lồi hiệu suất đã cải thiện trên 21%.

Tấm quang điện mặt trời uốn dẻo do TS.Lê Xuân Lực và cộng sự nghiên cứu.

PV: Phải mất bao nhiêu năm để anh và cộng sự mới làm được điều này?

TS. Lê Xuân Lực: Đây là dự án hợp tác giữa nhiều viện nghiên cứu, được bắt đầu nghiên cứu từ năm 2018 và kéo dài trong 5 năm theo từng giai đoạn hàng năm. Dự án hiện đang trong quá trình hoàn thiện cuối cùng để có thể chuẩn bị cho sản xuất thương mại.

Riêng tôi đi sâu vào nghiên cứu sử dụng mô phỏng số để điều tra ứng suất, căng thẳng, cong vênh trên lớp GaAs/InGaP, tìm vị trí mặt phẳng trung tính, tính toán tuổi thọ, ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình uốn dẻo, xoắn, kéo, laser bonding của solar cell. Từ đó, tối ưu hóa thiết kế và xây dựng nên mô hình thiết kế tối ưu nhất để sản xuất thử nghiệm và kiểm thử trong quá trình nghiên cứu.

PV: Theo anh, tấm quang điện mặt trời uốn dẻo linh hoạt sẽ ứng dụng nhiều nhất ở lĩnh vực gì?

TS. Lê Xuân Lực: Hiệu suất tấm quang điện mặt trời được nâng cao, khả năng linh hoạt được mở rộng là điều kiện quyết định khả năng ứng dụng bên cạnh việc tiết kiệm kinh phí đầu tư. Trong tương lai gần, với xu thế sử dụng năng lượng sạch và tái tạo, thì đây là một nghiên cứu góp phần bảo vệ môi trường và chống biến đổi khí hậu toàn cầu. Do đó, ngày càng có nhiều ứng dụng trong việc sử dụng pin năng lượng mặt trời uốn dẻo, nhất là ngành hàng không vũ trụ.

Một ví dụ điển hình là việc các bề mặt có độ cong cao như vỏ máy bay trinh thám không người lái được lắp đặt tấm quang điện uốn dẻo làm tăng diện tích tiếp xúc và hấp thụ ánh sáng, từ đó nâng cao hiệu suất năng lượng và tuổi thọ.

Hơn nữa, tấm quang điện mặt trời uốn dẻo có thể ứng dụng lắp đặt trên nhiều bề mặt có hình dáng khác nhau trong nhiều mục đích khác nhau như: gắn trên quần áo để sử dụng cho các thiết bị điện tử thông minh đeo hay mặc trên người, gắn vào thân vỏ các thiết bị vệ tinh quan trắc, gắn trên các thiết bị điện tử trong thành phố thông minh... Việc này góp phần lớn vào bảo vệ môi trường vì thay thế điện năng từ các nguồn như nhiệt điện hay thủy điện.

Tuổi thọ tấm quang điện mặt trời uốn dẻo được mô phỏng và tính toán có thời gian sử dụng khoảng 30 năm với các điều kiện nhiệt độ môi trường bình thường. Tuổi thọ uốn dẻo khoảng hơn 400,000 lần với bán kính uốn nhỏ hơn 4 mm. Hơn nữa, góc xoắn tối đa của solar cell có thể đạt 45 độ và tỷ lệ kéo dưới 1,1 % (3x1 cell) cũng không làm hư hỏng cell pin.

PV: Đây là một nghiên cứu được thực hiện tại Hàn Quốc khi anh đang làm việc tại trường ĐH SeoulTech. Khi đã làm chủ công nghệ lõi, anh có tính đến việc thương mại hóa sản phẩm tại Việt Nam hay không?

TS. Lê Xuân Lực: Nghiên cứu này của chúng tôi cũng nằm trong xu thế làm cho thiết bị trở nên linh động hơn và có hiệu suất tốt hơn. Công nghệ này cũng đang được nghiên cứu tại nhiều nơi trên thế giới và trong tương lai sẽ phát triển mạnh vì tính ứng dụng thực tế.

Sắp tới, nhóm nghiên cứu sẽ kết hợp với Đại học Bách khoa Hà Nội và Đại học Thủy lợi mở rộng nghiên cứu ứng dụng tấm quang điện mặt trời uốn dẻo tại Việt Nam. Chúng tôi hướng tới ứng dụng trong nông lâm nghiệp thông minh, thiết bị bay quan trắc môi trường, hoặc trên thiết bị điện tử trong thành phố thông minh giúp giảm phụ thuộc nguồn điện từ thủy điện hoặc nhiên liệu hóa thạch.

PV: Xin trân trọng cảm ơn anh!

  • TS.Lê Xuân Lực là cựu sinh viên Đại học Bách khoa Hà Nội. Anh nhận bằng kỹ sư 2013, thạc sĩ năm 2017, bảo vệ luận án tiến sĩ năm 2021 tại ĐH Khoa học và Công nghệ quốc gia Seoul, Hàn Quốc chỉ trong 2,5 năm theo học. Hiện anh đang nghiên cứu sau tiến sĩ tại Khoa Nano IT Fusion Engineering, thuộc ĐH SeoulTech.
  • TS. Lê Xuân Lực có 4 bài báo khoa học công bố trên các tạp chí SCIE, KCI, tham gia báo cáo tại 16 hội thảo khoa học quốc tế. Anh là tác giả chính của giải thưởng bài thuyết trình xuất sắc nhất (Best presentation) tại các hội nghị chuyên đề vi điện tử và đóng gói bán dẫn Hàn Quốc (2020) và giải bài báo xuất sắc (Best Paper Award) tại Hội nghị quốc tế chuyên đề về vi điện tử và đóng gói bán dẫn tại Hàn Quốc (2021).
  • Anh tham gia nhiều dự án nghiên cứu theo đặt hàng của bộ Thương mai, Công nghiệp và Năng lượng Hàn Quốc. Anh cũng đã từng có hơn 5 năm làm việc tại Samsung Electronics Việt Nam với cương vị Phó phòng Nghiên cứu và Phát triển (Glass R&D).

 


  • 12/05/2022 05:20
  • Trần Anh