Nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời
Sự phát triển công nghiệp và gia tăng dân số đã dẫn đến sự gia tăng nhu cầu năng lượng trên toàn cầu. Khi tất cả các nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt, thế giới sẽ phải đối mặt với tình trạng khan hiếm năng lượng [1]. Theo dữ liệu của Ủy ban điều tiết năng lượng Liên bang Mỹ, trên Trái đất chỉ còn lại khoảng 1.255 tỷ thùng nhiên liệu [2]. Nhiều giải pháp được đưa ra để giải quyết vấn đề nghiêm trọng này như hạn chế việc sử dụng các nguồn lực tự nhiên, thực hiện một số chính sách tiết kiệm hoặc sử dụng năng lượng mềm để chiếm giữ các nguồn tài nguyên còn lại trên thế giới. Tuy nhiên, điều quan trọng nhất là phải tìm ra một nguồn năng lượng thay thế ổn định và bền vững [3].
Trong những năm gần đây, năng lượng mặt trời đã trở thành một chủ đề được nhiều nhà khoa học quan tâm khi nhắc đến năng lượng tái tạo. Mặc dù chi phí đầu tư khá tốn kém hoặc không hiệu quả nhưng hiện tại pin năng lượng mặt trời có nhiều ưu điểm hơn trước (không chỉ đối với môi trường mà còn cả về chi phí). Những cải tiến của công nghệ sản xuất đã biến nguồn năng lượng này thành một nguồn năng lượng sạch và hiệu quả đáng kể [3].
Gần đây, giá của các tấm mô-đun năng lượng mặt trời quang điện (PhotoVoltaic - PV) liên tục tăng cao dẫn tới giá thầu của nhiều nhà đầu tư tăng theo (tăng khoảng 10% so với năm 2020) [4-6]. Nguyên nhân là do thiếu nguồn cung mô - đun và các nguyên liệu thô như polysilicon, kính, bạc, cũng như công suất sản xuất hiện tại không đáp ứng kịp nhu cầu tiêu thụ ngày càng gia tăng. Áp lực về giá khiến các nhà sản xuất mô - đun gặp khó khăn. Chính vì vậy, hầu hết các nhà sản xuất hàng đầu trong ngành năng lượng tái tạo như Jinko Solar, Longi, JA đều có hành động đảo ngược chính sách giảm giá làm cho ngành này gặp nhiều khó khăn.
Ứng dụng Si-UMG trong các thiết bị quang điện
Si-UMG có tạp chất là 5N đối với một số kim loại chuyển tiếp như Fe, Cu, Cr… [7]. Các tạp chất kim loại này có thể khuếch tán nhanh và phân bố lại khắp mọi vị trí trong mạng tinh thể silic. Kết quả là chúng hình thành sự tái tổ hợp tại tâm vùng cấm, làm hạn chế thời gian tồn tại của hạt tải điện thiểu số nên Si-UMG thường không thích hợp ứng dụng trực tiếp trong cấu trúc pin mặt trời. Tuy nhiên, chi phí của các tấm Si-UMG thấp do quy trình sản xuất đơn giản [8]. Vì vậy, Si-UMG trở thành vật liệu sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp quang điện.
Si-UMG được sản xuất bằng cách tinh chế pha lỏng từ silic mác luyện kim (Metallurgical Grade - MG) nên Si-UMG có chứa nhiều tạp chất hơn silic được tinh chế pha hơi (Electronic-Grade - EG). Năm 2011, T. Schutz-Kuchly và cộng sự đã sử dụng silic có dạng thanh được cắt lát để chế tạo pin mặt trời với hiệu suất dao động 10,7-14% [9]. Nhóm nghiên cứu này đã công bố tăng được hiệu suất pin mặt trời lên 15% bằng cách thêm vào vị trí khuếch tán hai nguyên tố Bo và Phốt-pho lần lượt ở mặt trước và mặt sau của đế silic vào năm 2012 [10]. Năm 2013, C. Xiao và cộng sự đã sử dụng keo nhôm để tạo thành tiếp xúc ngược của pin mặt trời silic, sau đó là quá trình ủ tại nhiệt độ cao để tạo ra một lớp hợp kim Al phía sau [11]. Tuy nhiên, cấu trúc này chỉ có thể đạt được 6,44% hiệu suất do hạn chế của mật độ dòng ngắn mạch (Short-circuit Current Density, Jsc).
Năm 2011, M. Forster và cộng sự đã pha tạp đồng thời Gallium (Ga) để nâng cao chất lượng của Si-UMG [12]. Gali có thể được sử dụng để kiểm soát các mức bù nhằm thu được lượng pha tạp thực tế tương đối thấp, thích hợp cho việc chế tạo các pin mặt trời hiệu suất cao. Đồng thời, P.Engelhart từ Trung tâm Nghiên cứu Reiner-Lemoine tại Q-Cells SE đã sử dụng tấm Si-UMG loại p (pha tạp chất Boron) để chế tạo pin mặt trời hiệu suất 18% bằng cách thêm các lớp thụ động trước và sau kết hợp với các tiếp xúc điểm [13]. Năm 2013, nhóm của Y. Schiele và nhóm của R. Einhaus đã công bố đồng thời pin mặt trời Si-UMG loại n (pha tạp với Phốt-pho) 19% [14, 15]. Silic loại n có tiết diện bắt photon nhỏ hơn đối với hạt tải điện thiểu số, do đó độ bền trong quá trình tái kết hợp của các khuyết tật bên trong tinh thể và các tạp chất kim loại thông thường thấp hơn so với pin mặt trời pha tạp loại p, dẫn đến tuổi thọ hạt tải điện thiểu số cao hơn. Mặt khác, Si-UMG loại p có khuyết tật Boron-oxy (B-O) gây ảnh hưởng đến các hằng số mạng tinh thể, trong khi đó Si-UMG loại n không có liên kết B-O nên ít bị ảnh hưởng bởi hiện tượng suy giảm cảm ứng ánh sáng (Light-inducted degradation - LID). Tóm lại, silic UMG là một vật liệu đầy hứa hẹn làm vật liệu chủ đạo trong công nghệ pin mặt trời nếu cải thiện được chất lượng Si-UMG.
Năm 2021, bằng phương pháp phổ khối lượng plasma kết hợp tự cảm (Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry: ICP-MS), nhóm nghiên cứu của Eduardo Forniés và các cộng sự đã chứng minh rằng các ion tạp chất của Co, Ni, và Cr không phải là nguyên nhân gây ra hiện tượng suy giảm tuổi thọ của cell pin mặt trời Si-UMG [16]. Bằng cách sử dụng quy trình tinh lọc tạp chất, Eduardo Forniés và các cộng sự đã chế tạo được các cell và mô - đun pin mặt trời hoàn toàn từ Si-UMG với hiệu suất tốt nhất (đạt hiệu suất 20,76%) [17]. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, việc sử dụng Si-UMG tinh chế bởi quy trình của FerroSolar thay cho silic dạng poly thông thường có thể làm giảm hơn 20% lượng khí phát thải gây ra biến đổi khí hậu ở Tây Ban Nha (12 g so với 15 g CO2eq/kWhe) và giảm hơn 25% thời gian thu hồi vốn (0,52 so với 0,68/năm) đối với tuổi thọ dự kiến của hệ thống quang điện là 30 năm [18, 19]. Ngoài ra, bản thân quy trình sản xuất Si-UMG cũng giảm tác động đến môi trường hơn 50% so với quy trình chế tạo silic dạng poly (18 g so với 56 g CO2eq/kWhe) [18, 19].
Kết quả thực nghiệm và tiềm năng ứng dụng
Đế Si-UMG mà nhóm nghiên cứu đề xuất được xử lý bằng plasma không khí với công suất thiết bị 400 W (tương đương với hiệu điện thế giữa đầu phóng điện) và đế là 35.000 Vôn (hình 1). Dòng điện sinh ra trong quá trình xử lý chỉ vào khoảng vài mili-Ampe, do đó hoàn toàn không gây nguy hiểm.
Hình 1. Đế silic xử lý bằng plasma không khí.
Hình 2 thể hiện năng lượng liên kết bề mặt của đế Si-UMG chưa xử lý (hình 2A) và đã xử lý bằng plasma không khí (hình 2B). Sau khi xử lý plasma, năng lượng bề mặt của đế Si-UMG tăng lên. Nguyên nhân là do sự hình thành của lớp điện tích âm trên bề mặt của đế silic. Lớp điện tích này gây ra lực hút đối với các ion tạp chất kim loại và khiến chúng có xu hướng khuếch tán ngược trở lại bề mặt đế silic.
Hình 2. Năng lượng liên kết bề mặt của đế Si-UMG: A) chưa xử lý và B) đã xử lý bằng plasma không khí.
Sau khi ủ 24 giờ trong bóng tối, điện trở bề mặt của đế silic tăng lên so với trước khi xử lý plasma (hình 3). Các ion kim loại khuếch tán ngược tạo ra các vùng khuyết tật điện tích tại bề mặt đế silic. Những vùng khuyết tật này ngăn cản khả năng di chuyển của các hạt tải và khiến cho điện trở của đế silic tăng lên. Trong quá trình tiếp theo, lớp vật liệu bề mặt sẽ được loại bỏ bằng phương pháp khắc ướt vừa để giảm nồng độ tạp chất ion kim loại, vừa giảm độ gồ ghề bề mặt đế Si-UMG.
Hình 3. Điện trở bề mặt của đế Si-UMG: A) trước và B) sau 24 giờ xử lý bằng plasma không khí.
Hình 4 thể hiện bề mặt đế Si-UMG trước và sau khi ăn mòn bằng hỗn hợp dung dịch axit HF (40%): HNO3 (65%):CH3COOH với tỷ lệ 2:13:5 về thể tích. Độ sâu ăn mòn được xác định khoảng 5 μm mỗi mặt. Ở độ sâu ăn mòn này, hầu hết lớp gồ ghề bề mặt bị loại bỏ, đồng thời tạo ra các cấu trúc có dạng hố, có khả năng tăng cường độ hấp thụ ánh sáng, là điều kiện thích hợp để sản xuất pin mặt trời.
Hình 4. Đế Si-UMG: A) trước và B) sau khi ăn mòn bề mặt.
Từ kết quả nghiên cứu cho thấy, tiềm năng ứng dụng của plasma không khí nhằm cải thiện chất lượng đế Si-UMG được thể hiện một cách rõ ràng. Ưu điểm của phương pháp này cũng được so sánh với một vài phương pháp khác như khuếch tán phốt pho. Quá trình khuếch tán ngược sử dụng plasma không khí đơn giản hơn nhiều so với quá trình khuếch tán phốt pho. Ngoài ra, chi phí vận hành của thiết bị plasma không khí thấp hơn nhiều so với các lò khuếch tán. Do đó, chi phí sản xuất pin mặt trời cũng sẽ giảm xuống nhiều hơn. Với một số công trình tham khảo gần đây, plasma không khí đã được chứng minh là có thể ứng dụng trong quy trình khuếch tán ngược để cải thiện chất lượng điện của Si-UMG, mở ra một tiềm năng lớn trong công nghệ chế tạo pin mặt trời hiệu quả cao và chi phí thấp dựa trên Si-UMG.
*Bài báo là kết quả nghiên cứu của đề tài B-562-2018-32-02 do Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh đã tài trợ. Các tác giả trân trọng cảm ơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] E. Coyle & R. Simmons (2014), Understanding the Global Energy Crisis, West Lafayette, Indiana: Purdue University Press, doi:10.2307/j.ctt6wq56p.
[2] M. Dowling (1997), “Industrialization in Asia: A tale of two regions”, Journal of Asian Economics, 8(2), pp.295-313.
[3] IEA (2014), Key World Energy Statistics 2014, OECD Publishing, Paris, doi:10.1787/key_energ_stat-2014-en.
[4] https://www.pv-magazine.com/2021/03/03/solar-modules-prices-rose-by-up-to-15-in-china-jinkos-vice-president-says.
[5] https://www.pv-tech.org/raw-material-shortages-causing-solar-module-bidding-prices-to-rise-in-china.
[6] https://www.eco-business.com/press-releases/material-shortage-to-increase-module-prices-in-2021.
[7] https://nptel.ac.in/courses/113/106/113106062.
[8] A. Bentzen and A. Holt (2006), “Gettering of transition metal impurities during phosphorus emitter diffusion in multicrystalline silicon solar cell processing”, J. Appl. Phys. 99, doi: 10.1063/1.2194387.
[9] T. Schutz-Kuchly, S. Dubois, J. Veirman, Y. Veschetti, D. Heslinga and O. Palais (2011), “Light-induced degradation in compensated n-type Czochralski silicon solar cells”, Phys. Status Solidi A, 208(3), pp.572-575.
[10] T. Schutz-Kuchly, V. Sanzone and Y. Veschetti (2012), “N-type solar-grade silicon purified via the metallurgical route: characterisation and fabrication of solar cells”, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 21(5), pp.1214-1221.
[11] C. Xiao, D. Yang, X. Yu, R. Wang, D. Que (2013), “Analysis of the photovoltaic properties of n-type compensated silicon solar cells with the Al-alloyed emitter”, Journal of Alloys and Compounds, 561, pp.28-32.
[12] M. Forster, E. Fourmond, R. Einhaus, H. Lauvray, J. Kraiem and M. Lemiti (2011), “Ga co-doping in Cz-grown silicon ingots to overcome limitations of B and P compensated silicon feedstock for PV applications”, Phys. Status Solidi C, 8(3), pp.678-681.
[13] P.Engelhart, J. Wendt, A. Schulze, C. Klenke, A. Mohr, K. Petter, F. Stenzel, S. Hörnlein, M. Kauert, M. Junghänel, B. Barkenfelt, S. Schmidt, D. Rychtarik, M. Fischer, J. W. Müller, P.Wawer (2011), “R&D pilot line production of multi-crystalline Si solar cells exceeding cell efficiencies of 18%”, Energy Procedia, 8, pp.313-317.
[14] Y. Schiele, S. Wilking, F. Book, T. Wiedenmann, G. Hahn (2013), “Record efficiency of PhosTop solar cells from n-type Cz UMG silicon wafers”, Energy Procedia, 38, pp.459-466.
[15] R. Einhaus, J. Kraiem, J. Degoulange, O. Nichiporuk, M. Forster, P.Papet, Y. Andrault, D. Grosset-Bourbange, F. Cocco (2012), 19% Efficiency Heterojunction Solar Cells on Cz wafers from non-blended Upgraded Metallurgical Silicon, 38th IEEE Photovoltaic Specialists Conference.
[16] Eduardo Forniés, Carlos del Cañizo, Laura Méndez, Alejandro Souto, Antonio Pérez Vázquez, Daniel Garrain (2021), UMG silicon for solar PV: from defects engineering to PV module degradation, arXiv:2101.08019 [physics.app-ph].
[17] Eduardo Forniés, Bruno Ceccaroli, Laura Méndez, Alejandro Souto, Antonio Pérez Vázquez, Timur Vlasenko and Joaquín Dieguez (2019), “Mass production test of solar cells and modules made of 100% UMG Silicon. 20.76% Record Efficiency”, Energies, 12, p.1495.
[18] Eduardo Forniés, Laura Méndez, Marta Tojeiro (2016), “Polysilicon vs. upgraded metallurgical-grade silicon (UMG-Si): Technology, quality and costs”, Photovoltaic International, 31, pp.29-38.
[19] Laura Méndez, Eduardo Forniés, Daniel Garrain, Antonio Pérez Vázquez, Alejandro Souto, Timur Vlasenko (2021), Upgraded Metallurgical Grade Silicon for solar electricity production: a comparative Life Cycle Assessment,, arXiv:2102.11571 [physics.app-ph].