Tầm quan trọng của việc thực hiện, tìm kiếm và thay thế các nguồn năng lượng gắn với phát thải ngày càng trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Do đó, các công nghệ năng lượng tái tạo đang được ưu tiên nhằm giảm sự phụ thuộc của thế giới vào nhiên liệu hóa thạch, và loại bỏ các khí nhà kính liên quan được tạo ra từ ngành công nghiệp này.
Một trong những công nghệ tái tạo phổ biến và hứa hẹn là quang điện (PV), chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Chi phí giảm và hiệu suất ngày càng tăng đã thúc đẩy sản xuất năng lượng mặt trời lên mức ấn tượng khi công suất PV đạt khoảng 400 gigawatt (GW) trên toàn thế giới vào cuối năm 2017. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IRENA), công suất sản xuất năng lượng tái tạo của Israel đạt 2300 megawatt (MW) vào năm 2019 và hơn 95% trong số đó đến từ năng lượng mặt trời (1000 watt bằng 1kW, 1 triệu watt bằng 1MW và 1 tỷ watt bằng 1GW).
Sản lượng điện của các tấm pin mặt trời thông thường ngày nay thường nằm trong khoảng từ 225 đến 365 watt. Công suất càng cao, thì càng có nhiều điện có thể tạo ra suốt cả ngày trong những giờ có ánh sáng mặt trời. Vì vậy, nếu một tấm pin mặt trời 300 watt như đang được sử dụng ở Israel, một quốc gia nhận được trung bình 9 giờ ánh sáng mặt trời mỗi ngày, nó sẽ có thể tạo ra 2.700Wh (watt giờ), hoặc 2,7 kilowatt giờ (kWh) điện tái tạo (300 x 9).
Các tấm pin mặt trời do các kỹ sư Israel lắp đặt trên mái nhà.
Nhưng năng lượng mặt trời cũng có thể tạo ra chất thải đáng kể. Việc triển khai các tấm pin mặt trời perovskite trên toàn thế giới “đặt ra các vấn đề về môi trường và kinh tế do sự suy thoái theo thời gian”, các nhà nghiên cứu Israel đề xuất trong một nghiên cứu gần đây về cấu trúc pin mặt trời. Và họ đã phát triển một quy trình độc đáo để loại bỏ và thay thế vật liệu đã xuống cấp, mở ra con đường “sản xuất năng lượng xanh bền vững hơn trong tương lai.”
Tạo ra điện và chất thải?
Mặc dù năng lượng mặt trời có khả năng khử cacbon mạnh mẽ trong lĩnh vực năng lượng và khả năng công suất điện mặt trời năm 2017 tăng gấp ba lần so vào năm 2023, nhưng các vấn đề kinh tế và môi trường khắc nghiệt vẫn xảy ra do việc quản lý chất thải nguy hại không đúng cách. Tuổi thọ hoạt động của bảng điều khiển năng lượng mặt trời thường dao động từ 20 đến 30 năm, chủ yếu do sự kết hợp của sự xói mòn ánh sáng theo thời gian, sự suy thoái liên quan đến nhiệt độ và pin mặt trời bị nứt. Sau thời gian đó, các chất hóa học như chì (Pb) và cadmium (Cd) dễ dàng gây độc cho môi trường xung quanh, ô nhiễm đất và nước ngầm.
Do sự gia tăng dự kiến trong việc lắp đặt, các vấn đề sẽ bắt đầu tích tụ khi số lượng lớn hơn các tấm pin mặt trời đạt đến giai đoạn cuối của vòng đời (EOL) vì việc loại bỏ chúng một cách phù hợp chưa được quan tâm đúng mức trong suốt 25 năm qua.
Theo dữ liệu từ IRENA, đến cuối năm 2016, chất thải từ tấm pin mặt trời trên toàn cầu ước tính khoảng 250.000 tấn. Hình ảnh do Lioz Etgar cung cấp.
Cụ thể hơn, chất thải từ tấm pin năng lượng mặt trời của Nhật Bản, được dự đoán sẽ tăng vọt từ 10.000 lên 800.000 tấn vào năm 2040 và không có kế hoạch nào được công bố chi tiết việc xử lý chúng an toàn.
Bang California cũng không đưa ra đề xuất nào về việc xử lý đúng cách mặc dù họ có nhận thức về môi trường nổi tiếng.
Ngay cả Trung Quốc, quốc gia đang sử dụng số lượng tấm pin mặt trời nhiều gấp đôi Hoa Kỳ, cũng không có chiến lược quy định đối với các tấm pin mặt trời xuống cấp.
Mặc dù các quốc gia này đang tập trung vào việc nghiên cứu các phương án tái chế hiệu quả cho các mô-đun năng lượng mặt trời, nhưng nhược điểm của quy trình bao gồm hư hỏng pin mặt trời, thiết bị đắt tiền, nhu cầu năng lượng cao và khí thải độc hại.
Tiềm năng Perovskite
Nghiên cứu mở rộng để xác định một giải pháp thay thế cho vật liệu pin mặt trời truyền thống dựa trên silicon đang được tiến hành, và pin mặt trời perovskite màng mỏng hiện là ứng cử viên hàng đầu cho sự tiến bộ của quang điện.
Không giống như vật liệu bảng điều khiển năng lượng mặt trời truyền thống, perovskites là một loại vật liệu hoàn toàn khác được xác định bởi cấu trúc tinh thể học độc đáo của chúng, giúp chúng chuyển đổi photon từ ánh sáng mặt trời thành điện năng hiệu quả. Ngoài hiệu quả tương đương của chúng, pin mặt trời perovskite còn có những lợi thế khác: Chi phí, công nghệ,… Cụ thể:
Vật liệu tạo nên pin mặt trời perovskite hoàn toàn do con người tạo ra, có thể được sản xuất với chi phí thấp thông qua một quy trình được gọi là xử lý dung dịch. Do đó, sản xuất perovskite có khả năng mở rộng, có nghĩa là chi phí sản xuất có thể thấp hơn nhiều so với các công nghệ bảng điều khiển năng lượng mặt trời khác.
Ngược lại, pin mặt trời thông thường được sản xuất bằng cách sử dụng silicon tinh thể, một vật liệu phải được khai thác từ trái đất và xử lý trước khi được sử dụng để tạo ra pin mặt trời chất lượng cao.
“Nếu bạn nhìn vào chi phí của công nghệ PV hiện tại, mặc dù họ đã giảm đáng kể nhưng vẫn còn hệ thống bán dẫn phức tạp, đắt tiền mà rất khó khăn trong việc sản xuất,” Joe Berry tại Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, nói: Do đó, việc sử dụng pin mặt trời perovskite sẽ giảm thiểu các chi phí liên quan trong việc sản xuất pin mặt trời.
Thật không may, vẫn còn một vấn đề: sự xuống cấp theo thời gian. Bởi vì các vật liệu perovskite có hoạt tính quang học thường nằm giữa các lớp khác của tấm pin mặt trời, nó ngăn cản việc tái chế pin mặt trời. Giống như các tấm pin mặt trời dựa trên silicon truyền thống, do đó, nó sẽ tạo ra các vấn đề phát sinh chất thải EOL tương tự và lặp lại chu kỳ của các hoàn cảnh sản xuất tốn kém.
Nghiên cứu mới của Israel mở ra con đường mới
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Hebrew gần đây đã tìm ra cách cải thiện tuổi thọ và chức năng của pin mặt trời perovskite bằng cách thiết kế mô-đun năng lượng mặt trời theo cách có thể loại bỏ và thay thế perovskite đã xuống cấp, do đó khôi phục hoàn toàn khả năng quang điện của nó và tránh tích tụ chất thải EOL. Mặc dù, đây không phải là mục tiêu ban đầu của nghiên cứu.
“Điều này đã không được lên kế hoạch ngay từ đầu”, Giáo sư Lioz Etgar, giảng viên cao cấp tại Viện Hóa học của Đại học Hebrew cho biết. “Mục tiêu là tìm cách phát triển một loại pin mặt trời chi phí thấp có thể được chế tạo khá dễ dàng, có thể mang lại hiệu quả cao và hoạt động trong thời gian dài hơn”.
ITO – Ôxít thiếc Indi – là các hạt nằm trong lớp perovskite. Các hạt này là các oxit kim loại dẫn điện có thể chịu đựng các điều kiện nhiệt và hóa học khắc nghiệt hơn các vật liệu hạt nano khác. Hình ảnh của Lioz Etgar
Về mặt hiệu quả, Etgar và nhóm nghiên cứu của ông đã đạt được những bước tiến đầy hứa hẹn. Ông giải thích: “Nếu bạn so sánh các tế bào năng lượng mặt trời của chúng tôi với các tế bào perovskite khác – giả sử là loại tế bào perovskite hiệu quả tốt nhất – thì hiệu suất của chúng tôi thấp hơn một chút so với chúng hiện nay. Tuy nhiên, chúng tôi đã đạt được nhiều tiến bộ trong năm ngoái. Ngay cả sau khi nghiên cứu của chúng tôi được xuất bản, chúng tôi đã có một bảng điều khiển hiệu quả hơn trước đây, nhưng vẫn thấp hơn một chút so với perovskite”.
Mãi sau này, nhóm nghiên cứu về cấu trúc pin mặt trời mới phát hiện ra rằng họ có thể loại bỏ và thay thế perovskite bán dẫn đã xuống cấp bằng vật liệu perovskite mới. Etgar nói: “Nó rất độc đáo vì không có pin mặt trời nào dựa trên perovskite hoặc thậm chí không dựa trên perovskite có thể làm được điều này ngày nay.
Mặc dù độ bền dự kiến được xác định trong khoảng 25 năm, nhưng Etgar và nhóm nghiên cứu cho biết, “Điều này vẫn đang trong quá trình phát triển, có nghĩa là các tế bào năng lượng mặt trời [perovskite] của chúng tôi vẫn chưa hoàn toàn có được độ bền như mong muốn. Hiện tại, pin mặt trời của chúng ta có thể tồn tại thêm vài năm trước khi xuống cấp và cần được thay thế”.
Mặc dù perovskite xuống cấp sau khi loại bỏ đã được đưa vào xử lý chất thải biệt, nhưng Etgar nhấn mạnh khả năng tái sử dụng của vật liệu này. “Ngay cả khi nó xuống cấp và bạn có thể tái sử dụng nó bằng cách rửa sạch và chuyển sang một thùng chứa, sau đó khuấy đều và đun nóng một chút là có thể sử dụng lại được”.
Ngoài nhóm nghiên cứu của Etgar, những công ty khởi nghiệp châu Âu như Oxford PV và Saule Technologies cũng đang nỗ lực để xúc tiến việc thương mại sản phẩm pin mặt trời dựa trên perovskite. “Có thể mất từ 2-5 năm,” Etgar ước tính và suy đoán: Sự tích hợp cuối cùng của họ sẽ hướng tới các ứng dụng độc lập ngoài lưới điện hơn là các cơ sở sản xuất năng lượng mặt trời tập trung trong Israel.
Theo https://nocamels.com/2021/01/solar-energy-clean-israeli-researchers-waste/
