1. Tên nhiệm vụ KH&CN
Nghiên cứu, chế tạo mẫu tế bào quang điện pin mặt trời thế hệ thứ 3, trên nền vật liệu bán dẫn điện tử mới A3B5
2. Tính cấp thiết
Những tấm pin năng lượng mặt trời truyền thống hiện nay có giá thành cao và có khối lượng lớn. Dựa vào lịch sử phát triển và cấu tạo của các loại PMT, người ta phân thành ba thế hệ PMT:
1. Thế hệ thứ nhất: PMT dạng khối, silic đơn tinh thể (còn gọi là PMT kiểu truyền thống) được chế tạo từ wafer silic, loại PMT này có hiệu suất tương đối cao, hiệu suất tối đa pin silic đơn tinh thể là 21-24% trong PTN, và 14-17% trong thực tế.
2. Thế hệ thứ hai: PMT được chế tạo theo công nghệ màng mỏng, các loại vật liệu tạo thành phong phú hơn như silic đa tinh thể, vô định hình, CdTe (cadmium telurit), các hợp kim của CIGS (gồm đồng, indium, galium và selen) và các loại bán dẫn màng mỏng khác. PMT thế hệ này có hiệu suất không cao bằng thế hệ đầu nhưng giá thành rẻ hơn, diện tích phơi sáng lớn hơn, gọn nhẹ hơn, có thể tích hợp nhiều chức năng hơn. Hiệu suất tối đa pin silic đa tinh thể là khoảng 14-16%, hiệu suất tối đa pin tấm màng mỏng là 14% trong PTN, và 9-11% trong thực tế.
3. Thế hệ thứ ba: PMT được chế tạo từ vật liệu trên nền chất bán dẫn điện tử mới A3B5 nhiều tầng, nhiều lớp bằng công nghệ nano-epitaxy, có thể đạt hiệu suất tối đa trong PTN lên tới 46%, còn trong thực tế là 34-36%.
PMT thế hệ thứ ba đang là hướng nghiên cứu được chú trọng hiện nay ở các nước phát triển, nhằm khắc phục những nhược điểm về hiệu suất, khối lượng và trọng lượng của PMT thuộc thế hệ 1 và 2, phát triển một loại pin năng lượng mặt trời (NLMT) thế hệ 3 có hiệu suất cao hơn đồng thời mỏng và nhẹ hơn. Với công nghệ mới này, các tấm pin mặt trời sẽ có thể dễ dàng được lắp đặt ở nhiều khu vực, hy vọng có thể giải quyết vấn đề năng lượng của thế giới.
Do đặc điểm tận dụng nguồn sáng có cường độ lớn cũng như các vật liệu khác, các tế bào quang điện trong hệ thống pin mặt trời hội tụ đòi hỏi phải có hiệu suất cao. Hiệu suất càng cao thì hiệu quả sử dụng của các vật liệu khác càng lớn. Vì thế, với cùng một mức công suất, giá thành của các hệ thống pin mặt trời có thấu kính fresnel rẻ hơn so với các công nghệ điện mặt trời truyền thống khác. Các tế bào quang điện được sử dụng phổ biến hiện nay là loại tế bào quang điện đa tầng (đa kết nối – multijunctional solar cell), có hiệu suất lên tới 40%.
Tuy nhiên, ở trong nước chưa có tổ chức nghiên cứu nào tiến hành nghiên cứu PMT thế hệ thứ ba, những thông tin cụ thể có giá trị thu được còn tương đối ít.
Nước ta có nhiều tài nguyên năng lượng mặt trời, đặc biệt ở khu vực phía Nam, do đó phát triển NLMT có ý nghĩa lớn đối với phát triển kinh tế, xã hội, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
Do đó, việc triển khai dự án này là rất cấp bách.
3. Luận cứ năng lực tổ chức thực hiện
Viện Vật lý Kỹ thuật A.F. Ioffe thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga, St. Petersburg, Liên bang Nga là viện hàng đầu về vật lý tại Liên bang Nga, viện có 37 bằng độc quyền sáng chế liên quan đến công nghệ và giải pháp thiết kế pin mặt trời thế hệ thứ ba.
Viện Công nghệ VinIT đang có quan hệ hợp tác tốt với Viện Vật lý Kỹ thuật A.F. Ioffe, nên khả năng phối hợp nghiên cứu và chuyển giao công nghệ trong lĩnh vực công nghệ cao này là rất lớn, đặc biệt có 1 số cán bộ nghiên cứu khoa học của Viện Vật lý Kỹ thuật A.F. Ioffe là cộng tác viên của Viện Công nghệVinIT, nên việc chuyển giao know-how công nghệ và chia sẻ sở hữu thành quả nghiên cứu KHCN là tương đối thuận lợi.
4. Mục tiêu
-Tạo ra mẫu tế bào quang điện (pin mặt trời thế hệ 3 trên nền chất bán dẫn điện tử mới A3B5 có hiệu suất sử dụng cao hơn pin mặt trời thế hệ 2, dùng cho công nghiệp điện mặt trời
– Đào tạo và xây dựng nguồn nhân lực công nghệ cao về pin mặt trời
– Biên soạn Báo cáo nghiên cứu khả thi xây dựng Nhà máy sản xuất pin mặt trời thế hệ 3 tại Việt Nam
5. Những nội dung KH&CN cần phải giải quyết
– Nghiên cứu tính chất và cấu trúc của chíp điện tử (biến đổi quang) trong pin quang điện; (PMT) trên nền A3B5 (các nguyên tố nhóm III và nhóm V như Bo, Al, Ga, In, P, As, Sb);
– Nghiên cứu công nghệ nano-epitaxy chế tạo chíp nhiều tầng (≥ 3 tầng), nhiều lớp (6-20 lớp), mỗi lớp dày 20-30 nm, cho PMT.
– Chế tạo mẫu thử chíp PMT trên nền A3B5 bằng công nghệ nano-epitaxy;
– Nghiên cứu, chế tạo thấu kính fresnel cho PMT;
– Nghiên cứu chế tạo mẫu PMT thế hệ thứ ba trên nền A3B5.
– Xây dựng Báo cáo nghiên cứu khả thi xây dựng nhà máy sản xuất PMT thế hệ thứ ba công suất 10 MW.
6. Dự kiến sản phẩm tạo ra
Báo cáo kết quả nghiên cứu tính năng, cấu trúc của vật liệu A3B5; phương pháp chế tạo và làm sạch các đơn chất nhóm III và nhóm V, phương pháp chế tạo và làm sạch các hợp chất A3B5, phương pháp chế tạo chíp PMT đa tầng, đa lớp trên nền A3B5 bằng công nghệ nano-epitaxy;.
Tạo 2-3 tấm mẫu PMT thế hệ ba kích thước độ dài rộng 1m x 0,5 m, độ dày 50-55 mm, có hiệu suất quang điện đạt trình độ tiên tiến thế giới;;
Báo cáo thử nghiệm, đo lường và đánh giá thực tế kết quả đạt được
Quy trình công nghệ chế tạo PMT thế hệ ba
Báo nghiên nghiên cứu khả thi xây dựng nhà máy sản xuất chất bán dẫn A3B5.
6. Khả năng ứng dụng
Kết quả tạo ra tạo photodiode hồng ngoại trung trên nền A3B5 sẽ là cuộc cách mạng công nghệ trong lĩnh vực photodiode hồng ngoại, có thể áp dụng trong việc chế tạo nhiều thiết bị điện tử, cũng như trong nhiều lĩnh vực đặc chủng, quốc phòng và dân dụng khác.
8. Hiệu quả
Kết quả đạt được trong dự án CN hợp tác song phương này sẽ là thành tựu nổi bật trong việc xây dựng thành công bước đầu ngành công nghệ cao ở nước ta trong lĩnh vực NLMT, có tác động:
– Thúc đẩy mạnh mẽ trảo lưu tìm kiếm và hợp tác CGCN.
– Hỗ trợ chúng ta nhanh chóng làm chủ được công nghệ tiên tiến thế giới trong thời gian ngắn với chi phí thấp nhất, hiệu quả cao nhất;
– Thúc đẩy phát triển công nghiệp ĐMT ở nước ta, thúc đẩy phát triển các ngành kinh tế-kỹ thuật liên quan;
– Thúc đẩy đào tạo và phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao;
– Đồng thời có đóng góp tốt trong việc bảo vệ môi trường, sử dụng tiết kiệm và hiệu quả cao nguồn tài nguyên nước ta, cải thiện điều kiện sinh hoạt và văn hoá cho các vùng sâu, vùng xa, củng cố an ninh đất nước.
