Mặt trời của chúng ta

 Trương Văn Tân (*)

© "Khi phát hành lại bài này cần phải có sự đồng ý của tác giả 
và ghi rõ nguồn lấy từ www.erct.com"

1. Nguồn năng lượng vô tận

Cảm giác cháy da trong những ngày hè nóng bỏng hay cái ấm áp của những ngày mùa đông nắng tốt như là một lời nhắc nhở đến sự hiện hữu của mặt trời mà lắm lúc ta xem như một tồn tại đương nhiên. Ánh sáng mặt trời là một nguồn năng lượng dồi dào, nhưng khi tính ra con số rất ít người biết đến là mặt trời truyền đến cho ta một năng lượng khổng lồ vượt ra ngoài sự tưởng tượng của mọi người. Trong 10 phút truyền xạ, quả đất nhận một năng lượng khoảng 5 x 10²⁰ J (500 tỷ tỷ Joule), tương đương với lượng tiêu thụ của toàn thể nhân loại trong vòng một năm. Trong 36 giờ truyền xạ, mặt trời cho chúng ta một năng lượng bằng tất cả những giếng dầu của quả đất. Năng lượng mặt trời vì vậy gần như vô tận. Hơn nữa, nó không phát sinh các loại khí nhà kính (greenhouse gas) và khí gây ô nhiễm. Nếu con người biết cách thu hoạch nguồn năng lượng sạch và vô tận nầy thì có lẽ loài người sẽ mãi mãi sống hạnh phúc trong một thế giới hòa bình không còn chiến tranh vì những cuộc tranh giành quyền lợi trên các giếng dầu. 

Mười vấn đề lớn của nhân loại trong vòng 50 năm tới đã được ghi nhận theo thứ tự nghiêm trọng là (1) năng lượng, (2) nước, (3) thực phẩm, (4) môi trường, (5) nghèo đói, (6) khủng bố và chiến tranh, (7) bệnh tật, (8) giáo dục, (9) thực hiện dân chủ và (10) bùng nổ dân số. Năng lượng quả thật là mối quan tâm hàng đầu của nhiều chính phủ trên thế giới. Nguồn năng lượng chính của nhân loại hiện nay là dầu hỏa. Nó quí đến nỗi được người ta cho một biệt hiệu là "vàng đen". Một vài giờ cúp điện hay không có khí đốt cũng đủ làm tê liệt và gây hỗn loạn cho một thành phố. Cuộc sống văn minh của nhân loại không thể tồn tại khi thiếu vắng năng lượng. Theo thống kê, hiện nay hơn 85 % năng lượng được cung cấp từ dầu hỏa và khí đốt. Nhưng việc thu hoạch từ các giếng dầu sẽ đạt đến mức tối đa trong khoảng năm 2010 - 2015, sau đó sẽ đi xuống vì nguồn nhiên liệu sẽ cạn kiệt cùng năm tháng. Người ta cũng tiên đoán nếu dầu hỏa được tiếp tục khai thác với tốc độ hiện nay, kể từ năm 2050 lượng dầu được sản xuất sẽ vô cùng nhỏ và không đủ cung cấp cho nhu cầu toàn thế giới. Như vậy, nguồn năng lượng nào sẽ thay thế cho "vàng đen"? Các nhà khoa học đã và đang tìm kiếm những nguồn năng lượng vô tận, sạch và tái sinh (renewable energy) như: năng lượng từ mặt trời, gió, thủy triều, nước (thủy điện), lòng đất (địa nhiệt) v.v... 

Trong những nguồn năng lượng nầy có lẽ năng lượng mặt trời đang được lưu tâm nhiều nhất. Những bộ phim tài liệu gần đây cho thấy ở các vùng hẻo lánh, nghèo khổ tại Ấn Độ hay châu Phi, cư dân tràn ngập hạnh phúc khi có điện mặt trời thắp sáng màn đêm hay được sử dụng các loại nồi năng lượng mặt trời để nấu thức ăn. Dù vậy, cho đến nay con người vẫn chưa đạt được nhiều thành công trong việc chuyển hoán năng lượng mặt trời thành điện năng vì một phần mật độ năng lượng mặt trời quá loãng, một phần phí tổn cho việc tích tụ năng lượng mặt trời còn quá cao. Nếu tính theo mỗi kilowatt-giờ (năng lượng 1 kilowatt được tiêu thụ trong 1 giờ) thì phí tổn thu hoạch năng lượng mặt trời là $0,30 USD. Trong khi đó năng lượng từ gió là $0,05 và từ khí đốt thiên nhiên là $0,03. Một hệ thống chuyển hoán năng lượng mặt trời cung cấp đủ điện năng cho một căn nhà ở bình thường tốn ít nhất $18000 USD (giá 2005). Chỉ cần yếu tố tài chính không thôi cũng đủ để làm người tiêu thụ tránh xa việc sử dụng năng lượng mặt trời. Hệ quả là tại những nước tiên tiến như Mỹ điện lực được tạo từ năng lượng mặt trời từ các tế bào quang điện (photovoltaic cell; photo = quang, voltaic = điện) chỉ chiếm 0,02 % [1]. Tuy nhiên, điều đáng mừng là thị trường năng lượng mặt trời toàn cầu trị giá 10 tỷ USD/năm và tăng 30 % hằng năm nhờ vào các kết quả nghiên cứu làm giảm giá tế bào quang điện [2].

Bài viết sẽ tổng kết những kỳ tích trong lĩnh vực cực kỳ quan trọng nầy trong nửa thế kỷ vừa qua.

2. Silicon và các chất bán dẫn vô cơ 

Vật liệu chính cho tế bào quang điện được dùng để chuyển hoán năng lượng mặt trời thành điện năng là silicon (Si). Silicon là một nguyên tố nhiều thứ hai sau oxygen trên quả địa cầu. Đây là cũng là một nguồn thiên nhiên phong phú gần như vô tận. Nó chiếm gần 30 % của vỏ quả đất dưới dạng silica (SiO₂), và là một hợp chất chính trong cát. Nhìn xung quanh, ta thấy tính hữu dụng của silica hiện hữu từ công nghệ "thấp" như bê tông, thủy tinh đến công nghệ cao như transistor, chip vi tính và các linh kiện điện tử khác. Có thể nói rằng silicon, hay đi từ nguyên thủy - cát, là xương sống của nền văn minh hiện đại. Nói khác hơn, ngoài đá cát của thiên nhiên ta thấy sự hiện diện của nguyên tố silicon hầu hết ở tất cả mọi nơi từ những tòa nhà chọc trời đến những linh kiện điện tử thu nhỏ cho máy vi tính ở thang nanomét (nhỏ hơn sợi tóc 100.000 lần).

Năm mươi năm trước, cùng một lúc với sự phát minh của silicon transistor, pin mặt trời (hay là pin quang điện) silicon được chế tạo tại Bell Labs (Mỹ). Pin nầy có khả năng chuyển hoán năng lượng mặt trời sang điện năng với hiệu suất là 6 %. Một con số tương đối nhỏ so với hiệu suất lý thuyết tối đa cho silicon là 31 %, nhưng đây là một thành quả rất ấn tượng cho bước đầu nghiên cứu của pin mặt trời. Nhóm nghiên cứu của giáo sư Martin Green (University of New South Wales, Úc) hiện nay đã đạt kỷ lục 24,7 %.  

Cho đến ngày hôm nay những đặc tính cơ bản của pin quang điện mặt trời nầy vẫn không có nhiều thay đổi; 95 % các hệ thống, dụng cụ dùng tế bào quang điện chế tạo từ silicon với hiệu suất trung bình 15 %. Có ba loại silicon được làm pin mặt trời: đơn tinh thể (monocrystalline), đa tinh thể (polycrystalline) và vô định hình (amorphous). Phần lớn các pin mặt trời hiện nay xuất hiện trên thương trường vẫn là pin của thế hệ thứ nhất (first-generation cell) dùng silicon đơn tinh thể có hiệu suất chuyển hoán 18 %.  Sản phẩm đòi hỏi silicon đơn tinh thể phải có độ nguyên chất đạt đến 99,9999 % (6 con số 9) thậm chí 99,999999999 % (11 con số 9), và quá trình chế tạo cần nhiệt độ cao để làm tan chảy silicon. Độ nguyên chất phải ở mực gần như tuyệt đối để bảo đảm sự di động dễ dàng của điện tử tạo ra dòng điện. Hai yêu cầu khó khăn nầy đẩy giá thành lên cao và vì vậy không được áp dụng rộng khắp.

Pin dùng silicon đa tinh thể và vô định hình thuộc thế hệ thứ hai. Silicon đa tinh thể được chế tạo ít tốn kém hơn vì không cần đạt đến độ nguyên chất như đơn tinh thể. Nhưng đa tinh thể nhiều đường biên tinh thể (crystalline boundary) cản trở sự di động của điện tử làm giảm hiệu suất của pin (12 – 15 %). Ngoài ra, silicon vô định hình có thể được xem là vật liệu trong việc sản xuất pin mặt trời giá rẻ. Một trong những ưu điểm là khác với silicon tinh thể, silicon vô định hình có thể làm thành phim mỏng vừa ít tốn kém nguyên liệu vừa có khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời 40 lần cao hơn silicon đơn tinh thể; phim silicon dày 1 mm có thể hấp thụ gần 90 % bức xạ mặt trời. Tuy nhiên, vì bản chất vô định hình hiệu suất chuyển hoán thành điện chỉ bằng phân nửa hiệu suất của silicon đơn tinh thể. Điều nầy cũng dễ hiểu. Vô định hình như một nắm tóc rối nùi, trong khi tinh thể như một mái tóc được chải mượt mà. Hiệu suất tùy vào sự di động của điện tử và sự di động nầy tạo ra dòng điện. Đương nhiên độ đi dộng của điện tử trong một môi trường có một trật tự cao hơn trong một không gian vô định hình ngoằn ngoèo như một mê cung. Dù vậy, silicon vô định hình vẫn là loại vật liệu được ưa chuộng nhờ vào giá rẻ để chế tạo mái ngói hoặc các panô (panel) quang điện cho nhà ở hoặc các cao ốc, công thự. Ngoài silicon vô định hình với lợi điểm tạo thành phim mỏng, pin mặt trời thuộc thế hệ thứ hai bao gồm các loại hợp chất bán dẫn như indium dislenide đồng và cadmium telluride được phủ lên thủy tinh. Các loại bán dẫn nầy có giá rẻ hơn rất nhiều so với silicon đơn phân tử nhưng có khuyết tật cấu trúc nên hiệu suất không cao.    

Việc phát triển mọi ngành công nghệ đều tập trung vào việc giảm giá thành. Công nghệ pin mặt trời cũng không phải là ngoại lệ. Ngoài việc phổ cập hóa silicon vô định hình, cải thiện quá trình sản xuất silicon đơn tinh thể đã làm giảm giá vật liệu nầy. Nhờ vậy, giá điện mặt trời đã giảm 20 lần trong 30 năm qua. Nếu chiều hướng nầy tiếp tục thì trong vòng 25 năm tới giá sẽ giảm đến $0,02/kWh. Với sự trợ giúp của công nghệ nano người ta dự đoán rằng đến năm 2050 thì năng lượng mặt trời sẽ cung ứng 25 % nhu cầu năng lượng của nhân loại [1].

3. Nguyên lý của pin mặt trời

Nguyên lý của pin mặt trời là hiệu ứng quang điện (photoelectric effect). Hiệu ứng quang điện được xem là một trong những phát hiện to lớn của Einstein. Hiệu ứng nầy mô tả khả năng của ánh sáng (quang) khi được chiếu trên bề mặt vật liệu có thể đánh bật điện tử (điện) ra khỏi bề mặt nầy. Để giải thích hiệu ứng quang điện Einstein đưa ra khái niệm quang tử (photon). Ánh sáng là những quang tử được bắn lên vật liệu để tống điện tử của vật liệu thành điện tử tự do. Sự di động của các điện tử nầy sẽ cho ta dòng điện.

Vật liệu silicon nguyên chất là một mạng nối kết các nguyên tố silicon và mạng nầy trung tính về điện nên không hữu dụng. Khi silicon được kết hợp một lượng nhỏ (vài phần triệu) "chất tạp", mạng sinh ra điện tích. Silicon mang điện tích là vật liệu cho nhiều áp dụng cực kỳ quan trọng. Khi silicon kết hợp với chất tạp (dopant) có khả năng lấy điện tử (electron acceptor) từ mạng silicon, mạng silicon sẽ có những lỗ trống mang điện tích dương (+). Đây là p-silicon (p = positive, dương). Lỗ trống (+) vốn dĩ là "nhà" của điện tử, cho nên khi điều kiện cho phép điện tử sẽ chiếm đóng trở lại. Mặt khác, khi silicon được kết hợp với chất tạp có khả năng cho điện tử, mạng silicon sẽ dư điện tử. Đây là n-silicon (n = negative, âm). Silicon dùng trong mọi linh kiện điện tử (thí dụ: transistor, đèn diode) là một vật liệu hỗn hợp liên kết giữa p-silicon và n-silicon. Có thể nói rằng p- và n-silicon đã tạo ra một cuộc cách mạng khoa học ở thế kỷ 20 và đã cho nhân loại nền văn minh silicon.

Như một quy luật thiêng liêng trong vạn vật, sự tiếp cận âm dương lúc nào cũng cho ta nhiều điều thú vị. Khi p-silicon tiếp cận với n-silicon, vùng chuyển tiếp (junction) giữa hai vật liệu nầy sẽ sinh ra một điện áp tự nhiên (0,7 V). Khi quang tử của ánh sáng mặt trời chạm vào mạng silicon, nó sẽ đánh bật điện tử ra khỏi mạng thành điện tử "vô gia cư" và để lại lỗ trống (+) trên mạng. Tuy nhiên, sau khi bị quang tử tấn công cặp điện tử và lỗ trống (+) vẫn còn quyến luyến vì lực hút Coulomb nên không chịu rời nhau! Cặp điện tử và lỗ trống (+) còn gọi là exciton. Chỉ có những cặp gần vùng chuyển tiếp mới bị điện áp vùng biên kéo cả hai ra xa để lỗ trống (+) đi về phía p-silicon và điện tử đi về phía n-silicon. Bây giờ, điện tử mới thật sự tự do di động để cho ra dòng điện. Hình 1 cho thấy cấu trúc của pin mặt trời silicon. Vùng chuyển tiếp hay là mặt tiếp xúc giữa p-silicon và n-silicon rất rộng để tạo ra nhiều khả năng để cặp điện tử và lỗ trống (+) có nhiều cơ hội chia ly. Thật ra, đây chỉ là cuộc chia ly tạm thời vì điện tử đi đường vòng ra ngoài tạo nên dòng điện, "bọc hậu" trở lại p-silicon tìm lại bạn xưa! Cứ như thế, khi ánh sáng chiếu liên tục ta sẽ có dòng điện liên tục để sử dụng. 

Hình 1: Cấu trúc của pin mặt trời silicon và cơ chế tạo ra dòng điện.
Chấm đen là điện tử e^-; chấm trắng là lỗ trống h⁺.

4. Tối ưu hóa hiệu suất chuyển hoán

Quang tử mang nhiều năng lượng khác nhau và chỉ có quang tử mang năng lượng lớn hơn một mức độ nhất định nào đó thì mới có khả năng đánh bật điện tử ra khỏi mạng silicon để trở thành điện tử tự do. Vậy mức độ nhất định đó là gì? Mức độ nầy chẳng qua là trị số khe dải năng lượng (energy band gap) của silicon. Khái niệm dải năng lượng điện tử (electronic energy band) và khe dải năng lượng đã được đề cập trong một bài viết trước [3]. "Đánh bật" là một từ nói cho tượng hình, nhưng để hiểu một cách khoa học hơn ta phải dùng đến khái niệm khe dải năng lượng. Các điện tử chiếm đóng ở dải hóa trị (valence band) khi có một kích hoạt (thí dụ: quang tử) tác dụng điện tử sẽ nhảy qua khe dải chiếm cứ dải dẫn điện (conduction band). Vì vậy quang tử phải mang một năng lượng ít nhất bằng hoặc hơn trị số khe dải để "nâng" điện tử từ dải hóa trị đến dải dẫn điện. Khi điện tử ở dải dẩn điện rồi, điện tử sẽ trở thành điện tử tự do tạo ra dòng điện (Hình 2). Khe dải của silicon có trị số khoảng 1,1 eV tương đương với năng lượng của tia hồng ngoại. Phổ ánh sáng mặt trời bao gồm tia hồng ngoại (năng lượng <1,7 eV), ánh sáng thấy được (1, 7 -3,3 eV) và tia tử ngoại (>3,3 eV). Như vậy, phần lớn ánh sáng mặt trời từ tia hồng ngoại đến tia tử ngoại đều có khả năng "đánh bật" điện tử ra khỏi mạng silicon.

Hình 2: Quang tử trong ánh sáng mặt trời "đánh bật" và nâng điện tử lên dải dẫn điện
để lại lỗ trống (+) ở dải hóa trị. Cặp (+)(-) (lỗ trống - điện tử) còn gọi là exciton.

Hiệu suất lý thuyết tối đa 31 % đề cập bên trên được định đoạt bởi trị số khe dải 1,1 eV của silicon. Bởi vì ta cần một năng lượng "đánh bật" 1,1 eV, những quang tử có năng lượng nhỏ hơn 1,1 eV không thể dự phần, và quang tử có năng lượng lớn hơn sẽ bị thất thoát đi phần dư thừa ở dạng nhiệt. Hai nguyên nhân nầy đưa đến sự thất thoát 69 % năng lượng mặt trời trong silicon do trị số khe dải. Đó là chưa kể sự thất thoát gây ra bởi cấu trúc vật liệu (tinh thể hay vô định hình), phản xạ bề mặt và phương pháp sản xuất. Nếu ta dùng những vật liệu bán dẫn với những khe dải khác nhau và liên kết những vật liệu nầy thành một cấu trúc chuyển tiếp đa tầng (multi-junction) để hấp thụ quang tử mặt trời ở các mực năng lượng khác nhau, hiệu suất chuyển hoán sẽ phải gia tăng. 

Năm 2002, các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Quốc gia, Lawrence Berkeley National Laboratory (Mỹ), thiết kế các hợp chất bán dẫn chứa indium (In), gallium (Ga) và nitrogen (N) cho đèn phát quang diode. Trong cơ chế phát quang của đèn diode ta cho dòng điện tạo ra sự kết hợp giữa điện tử và lỗ trống (+) trong chất bán dẫn để tạo ra ánh sáng [4]. Cơ chế của pin mặt trời có thể xem là một hiện tượng nghịch lại vì ánh sáng làm phân ly điện tử và lỗ trống (+) để cho ra dòng điện. Khi hợp chất bán dẫn InGaN được chế tạo, các nhà khoa học Mỹ khám phá ra là bằng sự điều chỉnh tỉ lệ của In và Ga, khe dải của hợp chất InGaN có thể biến thiên liên tục từ 0,2 đến 3,4 eV bao gồm toàn thể quang phổ mặt trời. Các nhà khoa học ở Lawrence Barkerley vừa làm vật liệu cho đèn diode vừa cho pin mặt trời. Một công hai việc. Trở ngại chính là sự tốn kém trong việc sản xuất, cấu trúc nầy vì vậy không thể trở thành một sản phẩm phổ cập. Nhưng nếu tiền bạc không phải là vấn đề quan trọng như trong một số áp dụng đặc biệt chẳng hạn như cho vệ tinh, các loại pin nầy là nguồn điện hữu hiệu để vận hành vệ tinh. Chỉ cần kết hợp hai tầng InGaN được thiết kế có khe dải 1,1 eV và 1,7 eV, hiệu suất dễ dàng đạt đến 50 %. Mười hai tầng InGaN có khe dải bao gồm toàn thể quang phổ mặt trời sẽ cho hiệu suất 70 %.

Gần đây (năm 2006), một số chất bán dẫn đã được thiết kế để tối ưu hóa trị số khe dải, gia tăng hiệu suất và đồng thời giảm giá thành sản xuất. Trong một cuộc triển lảm quốc tế về năng lượng mặt trời (2006), công ty Sharp Solar (Nhật Bản), một trong những công ty lớn và uy tín trên thế giới sản xuất pin mặt trời, đã ra mắt một panô pin mặt trời có hiệu suất đột phá 36 % mà vật liệu là hợp chất bán dẫn của các nguyên tố ở cột III (aluminium, gallium, indium) và cột V (nitrogen, arsenic) trong bảng phân loại tuần hoàn. Không chịu thua, cũng vào năm 2006 công ty Boeing - Spectrolab (Mỹ) dùng chất bán dẫn với một công thức được giữ bí mật có thể chuyển hoán 41% năng lượng mặt trời. Mười tháng sau đó, viện nghiên cứu quốc gia Lawrence Berkeley National Laboratory (Mỹ) lại chế tạo một loại pin mặt trời dùng chất bán dẫn zinc-manganese-tellium với hiệu suất 45 %. Những con số nầy rất ấn tượng, nhưng phải nói rằng panô của Sharp Solar dù ở 36 % nhưng đã đạt tới trình độ hữu dụng của một thương phẩm về giá trị thực tiễn cũng như giá cả. 

Hiện nay, việc nghiên cứu các chất bán dẫn vô cơ mà điển hình là silicon được phát triển mạnh trên mặt sản xuất làm giảm giá thành, tối ưu hóa những vật liệu hiện có để nâng cao hiệu suất và tìm kiếm những hợp chất bán dẫn mới với các trị số khe dải thích hợp. Nền công nghệ nano đang là chủ lực để đạt những mục tiêu nhiều tham vọng nầy. Một trong những ý tưởng nano là chế tạo hằng tỷ tế bào pin mặt trời ở kích thước nanomét gọi là điểm lượng tử (quantum dot), thay vì dùng từng mảng vật liệu như hiện nay. Nhóm của giáo sư Martin Green (University of New South Wales, Úc) lần đầu tiên chế biến thành công trong phòng thí nghiệm pin mặt trời silicon mang cấu trúc điểm lượng tử với hiệu suất đạt đến gần con số lý thuyết 31 %. Điểm lượng tử silicon thật ra là tinh thể nano silicon. Tiến sĩ Arthur Nozik thuộc Viện Nghiên cứu Năng lượng Tái sinh (Mỹ) (National Renewable Energy Laboratory) cũng đã chế tạo thành công tập hợp điểm lượng tử silicon (Hình 3). Mỗi điểm có bán kính khoảng 7 nm, chứa 50 - 70 nguyên tử silicon. Thông thường một quang tử đánh bật một điện tử, nhưng ở thứ nguyên nano cực nhỏ nầy một quang tử khi va chạm vào điểm lượng tử có thể sinh ra hai, ba điện tử tự do. Kết quả là ta sẽ có nhiều điện tử tạo ra dòng điện. Theo Nozik, nhờ vào hiệu ứng đa điện tử của điểm lượng tử silicon, hiệu suất chuyển hoán có thể đạt hơn 60 %, gấp đôi con số lý thuyết 31 % của trường hợp một quang tử cho một điện tử. Tuy nhiên, để trở thành một sản phẩm thông dụng, người ta dự đoán phải cần một thời gian từ 10 đến 15 năm. Chúng ta hãy kiên nhẫn chờ xem. 

Hình 3: Tập hợp điểm lượng tử (tinh thể nano) silicon.
Mỗi điểm có đường kính 7 nm và chứa 50 - 70 nguyên tử silicon
(Nguồn: Tiến sĩ Arthur Nozik).

5. Polymer mang nối liên hợp và fullerene

Cơ chế biến năng lượng mặt trời thành dòng điện thật ra là một cơ chế đơn giản. Nó qua một tiến trình như sau: (1) điện tử bị quang tử "đánh bật" ra khỏi "nhà" của mình (mạng vật liệu) để lại một lỗ trống (+); (2) vì điện tử có điện tích âm (-) và lỗ trống mang điện dương (+) nên cặp âm dương (+)(-), hay là lỗ trống - điện tử (exciton) (Hình 1 và 2), không chịu rời nhau do lực hút tĩnh điện và (3) cặp (+)(-) phải được tách rời để điện tử hoàn toàn tự do đi lại cho ra dòng điện. Thiếu một trong ba quá trình nầy, dòng điện không xảy ra. Trong trường hợp silicon và các chất bán dẫn vô cơ khác, như đã đề cập bên trên vùng chuyển tiếp (junction) giữa p-silicon và n-silicon là nơi phân ly cặp (+)(-).

Cũng như trong các áp dụng đèn phát quang [4], sự đổi màu điện học [5] và các ứng dụng quang học và quang điện tử đều liên hệ đến khe dải năng lượng, vật liệu hữu cơ được đặc biệt chú trọng nhờ vào các phương pháp tổng hợp đơn giản, gia công dễ dàng, tạo được phim mỏng và có thể thiết kế để có những trị số khe dải khác nhau. Những lợi điểm nầy làm giảm giá sản xuất và tạo điều kiện cho sản xuất quy mô lớn. Trong pin mặt trời dùng vật liệu hữu cơ, nguyên tắc chính là sự di chuyển điện tử từ một polymer/phân tử cho điện tử (electron donor) đến một polymer/phân tử nhận điện tử (electron acceptor). Sự di chuyển của điện tử sẽ tạo thành dòng điện. Chuyện nghe đơn giản nhưng làm không đơn giản! Lý do chính là làm sao để điện tử có thể di động thoải mái để tạo dòng điện và không còn "quyến luyến" với các lỗ trống (+) lúc nào cũng chập chờn chờ đợi sự tái kết hợp.

Một trong những pin mặt trời hữu cơ là pin mặt trời polymer - fullerene (thí dụ: quả bóng đá C60) [6]. Polymer là các polymer mang nối liên hợp (viết tắt: polymer liên hợp)  (- C = C - C = C -) như polyacetylene (PA), polypyrrole (PPy), polyaniline (PAn), polythiophene (PT), poly (phenylene vinylene) (PPV) v.v... và các polymer dẫn xuất. Cũng nên nhắc lại là polymer liên hợp khi kết hợp với dopant sẽ trở thành polymer dẫn điện. Điện tử p trong nối liên hợp một lần nữa thể hiện vai trò quan trọng của nó. Khi có một kích hoạt bên ngoài, chẳng hạn như quang tử của ánh sáng mặt trời, polymer mang nối liên hợp "phóng thích" các điện tử p và để lại nhiều lỗ trống (+) trên mạch polymer. Vì vậy, polymer liên hợp được gọi là vật liệu loại p (p-type, p = positive = dương). Ngược lại, fullerene là vật liệu nhận điện tử rất hiệu quả; sau khi nhận điện tử fullerene mang điện tích âm nên được gọi là vật liệu loại n (n-type, n = negative = âm) (Hình 4). Trong silicon ta cũng có p-silicon và n-silicon.

Hình 4: Quang tử trong ánh sáng mặt trời đánh bật điện tử ra khỏi mạch polymer của poly (3-hexylthiophene) (P3HT) và được nhận bởi [6,6]-PCBM C60 (một chất dẫn xuất của C60).

Kịch bản chuyển hoán năng lượng mặt trời thành dòng điện trong các vật liệu hữu cơ cũng tương tự như silicon. Những quang tử sẽ đánh bật điện tử ra khỏi mạng của vật liệu p tạo ra cặp âm dương (+)(-) (cặp điện tử - lỗ trống). Những cặp nầy khuếch tán, "rong chơi" trong vật liệu và chỉ có những cặp ở gần vùng chuyển tiếp p-n (p-n junction) thì mới có cuộc phân ly "chia loan rẽ thúy"! Sau khi chia lìa điện tử sẽ di động trong vật liệu n tiến đến cực dương và lỗ trống (+) di động trong vật liệu p tiến đến cực âm (Hình 5a). Dòng điện xuất hiện.

Như vậy, để gia tăng hiệu suất chuyển hoán, diện tích của mặt (tiếp xúc) chuyển tiếp giữa hai vật liệu p và n cần phải được cực đại hóa. Vì mặt chuyển tiếp là nơi tiếp xúc của hai vật liệu khác nhau nên được gọi là mặt chuyển tiếp dị chất (hetero-junction). Đối với các vật liệu hữu cơ việc cực đại hóa chỉ cần một phương pháp đơn giản là trộn (blend) hai vật liệu nầy tạo thành một composite. Để cho sự di chuyển của điện tử và lỗ trống (+) đến điện cực không bị ùn tắt giữa đường, mô dạng (morphology) composite cần có những đường vân liên tục của vật liệu p và n đan xen vào nhau (interpernetrating) và tiếp nối đến điện cực để điện tử và lỗ trống (+) đi đến nơi đến chốn (Hình 5b). Ngoài ra, vật liệu phải nguyên chất (silicon có độ nguyên chất cao hơn 99.99 %) bởi vì chất tạp trở thành rào cản chận đứng sự di động của điện tử và lỗ trống (+). Đây là những đòi hỏi nhiều thử thách trong pin mặt trời hữu cơ.

Hình 5: (a) Tiến trình phân ly của cặp lỗ trống - điện tử (h⁺ và e^-)
tại mặt chuyển tiếp giữa vật liệu p và n.
(b) Điện tử (e^-) đi theo đường vân vật liệu n tiến đến cực dương,
và lỗ trống (h⁺) theo đường vân vật liệu p tiến đến cực âm. Dòng điện xuất hiện.

Sự lựa chọn vật liệu loại p rất quan trọng vì nó là nguồn cung cấp điện tử cho pin. Nhưng tại sao lại phải là polymer liên hợp? Lý do chính là polymer liên hợp có tính bền trong vùng ánh sáng thấy được, có thể tạo thành phim mỏng ở đơn vị micromét (một phần ngàn mm) đến nanomét (một phần triệu mm) nhưng vẫn có thể hấp thụ ánh sáng rất hiệu quả. Khe dải của những polymer liên hợp tiêu biểu có trị số trong khoảng 1,5 - 2,5 eV nằm trong vùng quang phổ của ánh sáng mặt trời. Một ưu điểm khác là khe dải có thể được thiết kế có trị số nhỏ hơn (~ 1 eV) để lợi dụng các quang tử có năng lượng thấp. Sự điều chỉnh khe dải được áp dụng rất hiệu quả cho đèn phát quang polymer (PLED) [4]. Đây là một ưu điểm vượt trội của polymer liên hợp vì có thể thực hiện dễ dàng hơn các chất bán dẫn vô cơ. Dùng phương pháp tổng hợp hóa hữu cơ ta có thể điều chỉnh trị số khe dải bằng cách gắn những nhóm biên (functional group) vào mạch polymer để thay đổi cấu trúc phân tử hay tạo ra polymer liên hợp mới. Có thể nói là ngành hóa hữu cơ "cổ lổ" bỗng nhiên được hồi sinh nhờ vào những đòi hỏi của công nghiệp điện tử. Sự lựa chọn vật liệu loại n cũng không kém phần quan trọng. Vật liệu nầy sẽ nhận điện tử và kích thích sự phân ly của cặp (+)(-). Trong một danh sách dài của các vật liệu loại n có khuynh hướng thu hút điện tử cực mạnh, ta có thể chọn các loại phân tử, những oxide với cấu trúc nano như TiO₂, ZnO, hạt nano bán dẫn (semiconducting nanoparticles) và fullerene.  

Hiện nay, vật liệu loại p đang được nghiên cứu là chất dẫn xuất của PPV, poly [methoxy - (dimethyloctyloxy) - phenylene vinylene] (MDMO-PPV) và chất dẫn xuất của PT, poly (3-hexylthiophene) (P3HT), và vật liệu loại n thông dụng là chất dẫn xuất của C60, PCBM C60 (Hình 4). Composite MDMO-PPV/PCBM C60, composite P3HT/PCBM C60 và các composite khác đã được khảo luận tỉ mỉ trong bài báo cáo tổng kết pin mặt trời hữu cơ của Mozer và Sariciftci [7]. Ảnh hưởng của mô dạng composite đến hiệu suất chuyển hoán được phân tích trong bài báo cáo của Yang và Loos [8]. Hai bài báo cáo xuất sắc nầy cho thấy những đóng góp kiên trì của các nhà khoa học vào sự phát triển của pin mặt trời hữu cơ hơn 10 năm qua, từ một hiệu suất khiêm tốn 0,1 % cho đến ngày hôm nay tăng đến 5 - 6 % tương đương với hiệu suất của phim silicon vô định hình. Dù con số nầy chỉ bằng 1/10 của các hợp chất bán dẫn vô cơ "siêu hạng" được đề cập bên trên, các loại pin hữu cơ mỏng, mềm dẻo, giá rẻ, nhẹ và bền có thể sản xuất hàng loạt bằng phương pháp in phun như đã làm cho đèn phát quang polymer (PLED). 

6. Pin mặt trời từ thuốc nhuộm

Cái tựa đề nghe có vẻ hoang tưởng nhưng đây là một sản phẩm được mô phỏng từ Mẹ thiên nhiên. Loại pin nầy bắt chước quá trình quang hợp trong thực vật. Phản ứng quang hợp xảy ra trong lá cây với sự hiện diện của ánh sáng mặt trời và diệp lục tố (chlorophill) biến nước được cung cấp từ rễ và carbon dioxide (CO₂) từ không khí thành đường glucose (năng lượng) và oxygen theo một công thức đơn giản,

6H₂O + 6CO₂  ®  C₆H₁₂O₆ (đường glucose) + 6O₂

Diệp lục tố cho màu xanh của lá, là chất xúc tác của phản ứng trên biến năng lượng mặt trời thành hóa năng dưới dạng đường, duy trì sự sống còn của thực vật. Diệp lục tố nhận năng lượng mặt trời, hay nói một cách khác, quang tử mặt trời đánh bật điện tử p của diệp lục tố thành điện tử tự do gây ra những phản ứng dây chuyền để cuối cùng tạo ra đường. Thật ra, diệp lục tố là thuốc nhuộm thiên nhiên do sự hấp thụ ánh sáng hiển thị màu xanh. Thuốc nhuộm spiro-MeOTAD dùng trong pin mặt trời và diệp lục tố có cấu trúc vòng rất giống nhau mang nối liên hợp với những điện tử p kỳ diệu (Hình 6).

Hình 6: Cấu trúc nối liên hợp của diệp lục tố (chlorophill) và thuốc nhuộm spiro-MeOTAD.

Nhóm của giáo sư Michael Grätzel (Swiss Federal Institute of Technology, Thụy Sĩ) là nhóm tiên phong nghiên cứu về pin thuốc nhuộm từ năm 1991. Ông và cộng sự dùng thuốc nhuộm (thí dụ: spiro-MeOTAD) làm vật liệu loại p (cho điện tử) và oxide bán dẫn TiO₂ làm vật liệu loại n (nhận điện tử). Ngoài ra, các oxide bán dẫn khác như ZnO, Nb₂O₅, SnO₂ cũng đã được khảo sát. Đặc điểm của TiO₂ là giá rẻ, rẻ hơn rất nhiều so với silicon. Tuy nhiên, cũng như trường hợp pin polymer liên hợp – fullerene, vùng chuyển tiếp giữa hai vật liệu p và n phải được cực đại hóa. Hiệu suất của pin thuốc nhuộm không có gì ấn tượng cho đến khi Grätzel và cộng sự chế biến thành công tinh thể nano TiO₂ ở thứ nguyên nanomét (15 - 20 nm). Đây là một bước đột phá kỹ thuật. Tinh thể nano TiO₂ có thể phủ lên điện cực dưới dạng phim có những lỗ vi mô (micropores) với độ dày 5 - 20 mm với diện tích tiếp xúc rất lớn. Nhờ những lỗ vi mô nầy một gram phim tinh thể TiO₂ có bề mặt là 80 - 200 m², tương đương với một sân tennis! Các phân tử thuốc nhuộm len lỏi vào những lỗ vi mô làm diện tích của vùng chuyển tiếp dị chất (hetero-junction) gia tăng hơn 1000 lần và nhờ vậy sự phân ly cặp (+)(-) trở nên cực kỳ hiệu quả.

Giáo sư Grätzel cho biết pin thuốc nhuộm của nhóm ông đạt đến hiệu suất 11 % tiến đến hiệu suất của silicon đa tinh thể và có thể sản xuất với giá 3 đến 4 lần rẻ hơn pin silicon. Một thành tích rất ấn tượng cho pin mặt trời hữu cơ.

7. Lời kết

Kể từ lúc pin silicon đơn tinh thể, pin mặt trời thuộc thế hệ thứ nhất, xuất hiện ở đầu thập niên 50 của thế kỷ trước đến pin silicon vô định hình và các hợp chất bán dẫn vô cơ thuộc thế hệ thứ hai và các loại pin hữu cơ dựa vào sự di động của điện tử p thuộc thế hệ thứ ba, các nhà khoa học đã đi một đoạn đường dài trong việc lợi dụng năng lượng mặt trời tạo ra điện năng. Công nghệ nano đang và sẽ góp phần không nhỏ vào việc hoàn thiện dụng cụ nầy. Ngoài những áp dụng thực tiễn, trong quá trình nghiên cứu và phát triển pin mặt trời các nhà khoa học và vật liệu học đã khám phá ra những điều thú vị trong việc tạo ra những vật liệu hiệu quả, tối ưu hóa việc chuyển hoán năng lượng với những ứng biến linh động dựa trên khe dải năng lượng và mô dạng trong các composite cho trường hợp của các vật liệu hữu cơ. 

Với những thành quả nghiên cứu, các loại pin mặt trời dù được làm từ chất vô cơ hay hữu cơ càng ngày sẽ càng hiệu quả và càng giảm giá. Theo các chuyên gia, trong sân chơi "năng lượng mặt trời", không có trở ngại kỹ thuật nào mà không thể vượt qua nếu các nhà khoa học được cung cấp tài chánh dồi dào để tiếp tục phát huy. Nhưng có thực sự là năng lượng mặt trời sẽ đóng vai trò chủ chốt trong các loại năng lượng tái sinh khác trong tương lai? Vấn đề chính của pin mặt trời là sự đòi hỏi những khoảng đất rộng lớn để cài đặt những panô pin cho việc cung cấp điện. Trở ngại thứ hai là việc tồn trữ điện cho những ngày mưa phải cần đến một kỹ năng khác mà hiện giờ vẫn chưa có một giải đáp thỏa đáng.

Trớ trêu thay, Nhật Bản - một nước đất hẹp người đông - lại là một quốc gia đứng đầu thế giới về năng lượng mặt trời. Công ty Sharp Solar (Nhật Bản) đang đổ tiền đầu tư để tiến hành một dự án xây những thiết bị pin mặt trời có khả năng sản xuất 100 gigawatts (100 tỷ watts) vào năm 2030, tương đương với 30 lần công suất của toàn thế giới hiện nay [1]. Cái táo bạo của người Nhật Bản cho ta một niềm lạc quan vào tương lai của năng lượng mặt trời. Tuy có những chướng ngại cơ bản về đất đai để thiết lập panô pin và việc tồn trữ điện, điện lượng tiêu thụ của con người trong 20, 30 năm tới không ít thì nhiều phải dựa vào dạng năng lượng nầy.

Từ khi thái dương hệ xuất hiện, những tia sáng mặt trời truyền đến mặt đất bị hoang phí đã hằng tỷ năm. Hơn nửa thế kỷ qua, cơ học lượng tử đã giúp loài người đạt được nhiều kỳ tích "đuổi bắt" những tia sáng kỳ diệu nầy. Thêm nửa thế kỷ sắp tới, khai thác năng lượng mặt trời đặt các nhà nghiên cứu khoa học trước nhiều thử thách trong việc chọn lựa vật liệu và tối ưu hóa thiết kế cấu trúc của tế bào quang điện, nhưng bù lại sẽ mang đến cho nhân loại những dụng cụ tiện ích và rất nhiều khám phá kỳ thú. Trong khi đó mặt trời của chúng ta vẫn ung dung rực cháy.

Đầu Xuân (Wollongong)

25 September 2007

TVT

Ghi chú và Tài liệu tham khảo

[1] E. Cartlige, "Bright outlook for solar cells", Physics World, 20 (7) (2007) 20.

[2] N. S. Lewis, Science, 315 (2007) 98.

[3] http://erct.com/2-ThoVan/TruongVTan/DienTu_P.htm

[4] http://erct.com/2-ThoVan/TruongVTan/Cauchuyen_vesu_phatquang.htm  

[5] http://erct.com/2-ThoVan/TruongVTan/Cuaso_Thongminh.htm

[6] http://erct.com/2-ThoVan/TruongVTan/Fullerene.htm

[7]  A. J. Mozer and N. S. Sariciftci, Chapter 10 "Conjugated Polymer-Based Photovoltaic Devices", in "Handbook of Conducting Polymers ed. 3 (edited by T. A. Skotheim and J. Reynolds), December 2006, CRC Press, Mercel Dekker.

[8] X. Yang and J. Loos, Macromolecules, 40 (2007) 1353.