Pin mặt trời hữu cơ : Nguồn năng lượng « xanh » trong nhà tương lai ?

Đăng ngày: 12/11/2022

Minh Anh

Chủ Nhật ngày 06/11/2022, Pháp khởi động cuộc đua thuyền buồm vượt Đại Tây Dương mang tên Con Đường Rượu Rhum lần thứ 12 sau hai năm tạm ngưng vì dịch bệnh Covid-19. Nhưng phiên bản năm nay đáng lẽ sẽ còn thú vị hơn nếu có sự tham dự chiếc thuyền đua mà buồm được trang bị các tấm pin năng lượng mặt trời của tay đua Marc Guillemot, nhằm thử nghiệm sức bền và tính hiệu quả của loại pin mặt trời mới làm từ các vật liệu hữu cơ.

Buồm OPV : « Vật thể lạ trên biển »

Từ đầu năm nay, giới đua thuyền buồm xôn xao về việc Marc Guillemot có thể sẽ cho phô bày « một vật thể lạ hàng hải » mà anh đang thử nghiệm : Chiếc thuyền được trang bị một cánh buồm lớn duy nhất trên thế giới. Trên bề mặt của cánh buồm này, 48 tấm pin mềm mại, có diện tích cỡ 0,3 m² mỗi tấm, biến đổi năng lượng mặt trời thành dòng điện, đủ để thắp sáng con thuyền, điều khiển tự hành, máy tính, tủ lạnh… Nhờ vào những tấm quang điện này, mà chiếc thuyền buồm của anh sẽ tạo ra nhiều năng lượng hơn là mức tiêu thụ.

Nhưng đây mới chỉ là bước đầu tiên. Bởi vì, trong dài hạn, ý tưởng đưa ra là phải bỏ hẳn động cơ nhiệt để điều khiển con thuyền duy nhất bằng nắng và gió. Mục tiêu sau cùng là làm sao để thuyền lướt sóng một cách hoàn toàn phi các-bon hóa. Đây còn là một cuộc thử nghiệm mà Marc Guillemot phối hợp với Ecole Normale Superieure (ENS) về hóa học, sinh học và vật lý học ở Bordeaux.

Công nghệ pin mặt trời này có tên gọi là OPV – Organic Photovoltaics, Pin quang điện hữu cơ. Những tấm pin này cũng giống như loại pin phủ mái nhà, nhưng được chế tạo từ các phân tử có nguồn gốc các-bon như fullerene, thiophene… thay vì là chất silicium đang thịnh hành hiện nay.

Đây là đối tượng nghiên cứu từ gần ba thập niên qua. Được phát hiện trong những năm 1980, những vật liệu này có trong các loại nhựa cách nhiệt, cho đến giờ vẫn « chưa cho được những hiệu suất cao, có thể dễ dàng sử dụng, và nhất là chưa mấy gì ổn định », theo như quan sát từ nhà nghiên cứu Jean-François Guillemoles, giám đốc Đơn vị Nghiên cứu chung, được thành lập cùng với Viện Quang Điện vùng Île-de-France, tập hợp Trung Tâm Nghiên Cứu Khoa Học Quốc Gia Pháp (CNRS), Ecole Polytechnique/Chimie Paris Tech – PSL/IPVF SAS), với ban Tiếng Việt đài RFI.

Chuyên nghiên cứu về những khía cạnh cơ bản tìm kiếm các quy trình mới cho chuyển đổi năng lượng mặt trời, phát triển các chức năng mới cho pin mặt trời (tổng hợp nhiên liệu mặt trời, các tấm pin siêu mỏng và nhẹ, thẩm mỹ…) và độ bền cũng như cơ chế hỏng hóc của chúng, Jean-François Guillemoles, ghi nhận từ vài năm gần đây những hạn chế trên đã dần được gỡ bỏ.

Các nỗ lực nghiên cứu từ các nhà khoa học tại Pháp cũng như trên thế giới cho phép phát triển kỹ thuật tổng hợp hóa học, tạo ra những vật liệu có thể hấp thụ ánh sáng với tính hiệu quả cao nhất, để rồi phát ra những electron điện từ tối đa và tạo ra những dòng điện áp có thể. Kỹ thuật này đã cải thiện đáng kể hiệu suất các tấm pin năng lượng mặt trời hữu cơ. Chúng cũng thúc đẩy phát triển một ngành công nghiệp mới tại Pháp nói riêng và trên thế giới nói chung, theo như giải thích của Jean-François Guillemoles với RFI Tiếng Việt.

Jean-François Guillemoles : « Những vấn đề này đã dần được khắc phục từ nhiều năm qua. Thực sự là có nhiều công ty, không ít các hãng của Pháp đã lao vào cuộc phiêu lưu khi cho phát triển nhiều phân tử mới, nhiều quy trình mới để sản xuất các tấm pin mặt trời và họ đã cho thấy hiệu suất của những loại pin mới này trong các nghiên cứu đã đạt đến 15% (thay vì là 6% như cách nay 7 năm).

Trên thế giới, người ta còn cho kết quả tốt hơn. Theo tôi biết, một công ty con của tập đoàn Armor (Pháp) sử dụng cả quy trình in mực, hơi giống các máy in ở nhà, để in phim năng lượng mặt trời. Hay như một công ty khác vừa được thành lập gần đây, đã sản xuất pin mặt trời hữu cơ để dán lên cánh buồm. »

OPV : Nguồn năng lượng trong nhà thay thế pin lithium ?

Tạp chí Epsil∞n, số ra tháng 9/2022, cho biết, hiệu suất cao nhất có được trong phòng thí nghiệm là 19%, do một nhóm nghiên cứu Trung Quốc thực hiện. Đương nhiên, mức hiệu năng này vẫn còn thua xa so với tỷ lệ 27% của chất silicium đang được sử dụng rộng rãi trong các tấm quang điện mặt trời hiện nay. Cũng theo Jean-François Guillemoles, loại OPV này có những đặc tính mà silicium không thể có được : Độ mềm dẻo, nhẹ và nhạy cảm.

Jean-François Guillemoles : « Ở mức độ hiện nay, đây thật sự chưa hẳn là một công nghệ đủ chín muồi để có thể tự chủ năng lượng trong ngắn hạn. Ngược lại, công nghệ này có một lợi thế là chúng nhẹ, vận hành được cả trong nhà với ánh sáng nhân tạo. Do vậy, đây là một công nghệ cho phép thay thế các loại ắc quy, pin lithium dành cho các bộ cảm biến, hay một số ứng dụng gọn nhẹ, thậm chí người ta có thể dán các tấm pin này trên những túi xách.

Khi có một tấm pin năng lượng mặt trời, thì người ta không còn cần thay pin nữa, họ có thể sử dụng chúng cho những thiết bị tiêu thụ ít năng lượng, trong những lĩnh vực được gọi là vật dụng có kết nối Internet, thậm chí ngay cả những loại drone nhỏ, họ cũng có thể cung cấp điện bằng những tấm pin mặt trời mỏng và cực nhẹ này ».

Chính nhờ vào những đặc tính này mà tay đua thuyền buồm nhiều lần giật giải quán quân Marc Guillemots đã cho may dính các tấm pin mỏng lên cánh buồm. Những lợi thế mới này từ OPV đã khích lệ Guillaume Wantz, nhà nghiên cứu trường Ecole Normale Superieure về Hóa học, Sinh học và Vật lý ở Bordeaux, tham gia dự án cùng Marc Guillemots và thành lập một start-up « Heole », theo như tường thuật từ tạp chí khoa học Epsil∞n.

Công ty khởi nghiệp này lao vào nghiên cứu những tấm pin mặt trời có thể bắt nắng ở cả hai mặt, và nhất là có thể hấp thu cả những tia nắng theo đường cong do điều kiện địa lý mặt biển áp đặt thường ngày. Các thử nghiệm trong suốt mùa hè qua cho thấy những tấm pin mặt trời OPV cung cấp một sản lượng hàng ngày cao gấp từ 2 đến 3 lần so với các tấm pin bằng silicium có cùng năng suất. Cánh buồm vẫn có thể mở ra, cuộn lại mà không làm suy giảm hiệu quả bất chấp các điều kiện về độ ẩm, muối và điện áp…

Trên đất liền, những tấm pin mặt trời này cũng đã có những thành công đáng kể. Một tòa nhà được phủ OPV tại Bâle, một băng ghế đô thị tại Ả Rập Xê Út… Người ta có thể hình dung những tấm bạt năng lượng mặt trời, mỏng và nhẹ này, phủ trên xe tải, tầu chở hàng, khinh khí cầu, hay nhà kính trồng cây…

Cũng trên tạp chí Epsil∞n, bà Moïra Asses, kỹ sư và giám đốc chiến lược của hãng Asca, một nhà sản xuất OPV ứng dụng trên đất liền, lưu ý, công nghệ OPV « sẽ không thể thay thế các trung tâm khai thác điện mặt trời lớn, nhưng đây là một giải pháp thật sự bổ sung cho silicium vì người ta có thể sản xuất các tấm pin ở đủ mọi dạng, kể cả từ những cuộn pin lớn và nhẹ, được in ra như là một tờ báo. »

OPV : Nguyên liệu phù hợp cho giải pháp điều độ năng lượng ?

Ngoài bất lợi về hiệu suất thấp, Jean-François Guillemoles nhấn mạnh thêm ở hai khía cạnh khác : Thứ nhất là tuổi thọ dòng sản phẩm này còn quá thấp (10 năm tối đa so với mức 25 năm của pin mặt trời silicium, theo chi tiết từ Epsil∞n ) và thứ hai là giá thành OPV cao.

Jean-François Guillemoles : « Các vật liệu hữu cơ vẫn còn đắt. Có thể một ngày nào đó chúng sẽ rẻ hơn. Nhưng chúng có một lợi điểm là phát khí thải các-bon thấp, mà không nhất thiết phải chiết xuất các thứ kim loại. »

Đây cũng chính là một ưu điểm lớn cho công nghệ OPV nếu nhìn theo góc độ bảo vệ môi trường. Các khảo sát cho thấy OPV không đòi hỏi nhiều nguyên liệu thô : Một kg chất hữu cơ, người ta có thể sản xuất ra 5000 m² tấm pin mặt trời, thay vì là 2 m² cho một kg chất silicium.

Tại Pháp và nhiều nước châu Âu, nhu cầu có những ngành sản xuất nội địa ngày một lớn. Kỹ nghệ này có thể cho phép thay thế phần nào hệ thống sản xuất kiểu cũ ở một số dòng sản phẩm, theo đó, một vật dụng mà người ta mua, hay sản xuất phải đi ba vòng trái đất giữa những linh kiện rời khác nhau trước khi được lắp ráp. Đây cũng chính là kết luận của nhà nghiên cứu Jean-François Guillemoles với ban Tiếng Việt đài RFI.

Jean-François Guillemoles : « Một trong số các ý tưởng là thật sự có những thứ gì đó được thực hiện trong những điều kiện có thể trụ được. Chúng ta có thể có được những tấm pin mặt trời ít gây ô nhiễm hơn, ít phát thải khí CO2 hơn nếu như chúng được sản xuất tại chỗ hơn là những gì được chế tạo từ các mẫu rời đến từ bốn góc hành tinh, nếu không cần thiết. Đương nhiên, điều này không nhằm ngăn cản các trao đổi hấp dẫn, nhưng tốt hơn hết là nên duy trì những mối trao đổi đó cho những gì thật sự cần thiết, và hữu ích. »

RFI Tiếng Việt chân thành cảm ơn nhà nghiên cứu Jean-François Guillemoles.