Công nghệ năng lượng mặt trời niềm hy vọng lớn của nhân loại

1















CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
NIỀM HY VỌNG LỚN CỦA NHÂN LOẠI

2
I. Năng lượng mặt trời đang thu hút sự quan tâm của thế giới
Những năng lực biến đổi để nhận được điện mặt trời giá rẻ vẫn tiếp tục là
hướng chú trọng của nghiên cứu và phát triển (R&D) và ngành chế tạo trên khắp
thế giới:
Viện Hàn lâm Kỹ nghệ Mỹ (NAE), trong Báo cáo đưa ra đầu năm 2008 ,
xác định năng lượng mặt trời là một trong 10 thách thức và cơ hội lớn đặt ra cho
kỹ nghệ trong 5 thập niên đầu thế kỷ 21.
Tại Hội nghị của Hiệp hội Hóa chất Mỹ gần đây, Giáo sư Viện Công nghệ
California đã nhận xét năng lượng do ánh sáng mặt trời cung cấp cho trái đất chỉ
cần 1 giờ đã lớn hơn năng lượng tiêu thụ của cả thế giới trong vòng 1 năm. Nhưng
thách thức lớn nhất để tận dụng năng lượng này là giảm giá thành của điện mặt
trời để nó có khả năng cạnh tranh được với các dạng năng lượng truyền thống.
Nhiều lĩnh vực trong xã hội có thể tận dụng được lợi ích của năng lượng mặt trời
giá rẻ, như được nêu trong Báo cáo của Tổ chức RAND-một tổ chức nghiên cứu
phi lợi nhuận của Mỹ “Cuộc Cách mạng công nghệ toàn cầu- GTR2020”: "Các hệ
thống năng lượng mặt trời sẽ có giá rẻ để được phổ cập rộng rãi ở các nước đang
phát triển và kém phát triển cũng như người dân sinh sống ở vùng sâu, sẽ có giá
rẻ để được phổ cập rộng rãi ở các nước đang phát triển và kém phát triển cũng

như người dân sinh sống ở vùng sâu, vùng xa". Năng lượng này có thể dùng để
bơm nước tưới tiêu hoặc có thể được dùng cho các ngành nghề thủ công, cho học
tập từ xa, để làm đèn chiếu sáng cho những nơi không có mạng lưới điện, làm
đông lạnh thực phẩm và thuốc men nhằm cải thiện dinh dưỡng và y tế.
Điện mặt trời cũng được Công ty Tư vấn tài chính Mỹ, Nerrill Lynch, coi là công
nghệ đi đầu trong số những công nghệ sẽ làm nên cuộc Cách mạng công nghệ lần
thứ sáu, bên cạnh những công nghệ khác như phong điện, năng lượng sinh học.
Do giá dầu thế giới tăng cao, sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng trở nên hấp
dẫn. Tại Hội nghị lần thứ 29 về pin mặt trời, được tổ chức vào tháng 10/2008 tại
Valencia, Tây Ban Nha, thu hút được 4.000 nhà nghiên cứu và hàng nghìn người
trưng bày triển lãm. Sự tập hợp đông đảo như vậy chứng minh cho một thị trường
bùng nổ từ nhiều năm nay - thị trường tiêu thụ điện năng được sản xuất bằng pin
mặt trời.
Theo Báo cáo của Viện Chính sách Địa cầu Mỹ, các nhà đầu tư đang ngày
càng quan tâm tới việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ. Nguồn tài
nguyên năng lượng mặt trời là vô tận: "Nó có thể cung cấp hơn 10.000 lần số
lượng điện tiêu thụ đang được sản xuất ra trên toàn thế giới". Ước tính đến năm
2012, công suất một nhà máy điện năng lượng mặt trời có thể đạt 6.400 kW, gấp
14 lần công suất hiện nay. Các nhà máy điện qui mô lớn cũng không dừng lại ở
việc sử dụng các loại pin quang điện mà sẽ sử dụng các tấm gương khổng lồ để
thu năng lượng mặt trời.
Hiện nay, các thiết bị thu năng lượng mặt trời được lắp đặt gia tăng 40%/năm trên
thế giới.Những nhà phân tích tài chính cho rằng, thị trường sẽ vượt quá 5.000 MW
trong năm 2008, 7.000 trong năm 2010 và đạt đến 20.000 trong năm 2012. Thị
3
trường pin mặt trời chỉ tập trung ở 5 quốc gia: Đức, Mỹ, Tây Ban Nha, Nhật Bản
và Italia.
Theo các chuyên gia, giá điện mặt trời vào khoảng từ 0,13 - 0,17 USD/kW,
đủ sức cạnh tranh với nhiệt điện sử dụng khí đốt.
Mỹ và Tây Ban Nha là 2 nước có tham vọng nhất trong việc phát triển năng lượng

mặt trời. Với dự án sản xuất khoảng 5.600 MW điện năng, hệ thống nhà máy điện
mặt trời tương lai ở miền Tây nước Mỹ có khả năng cung cấp năng lượng cho
khoảng 1,7 triệu hộ gia đình. Tổ hợp điện mặt trời lớn nhất của Mỹ trên sa mạc
Mojave, bang California, từ năm 1980 đến nay đã và đang cung cấp điện cho gần
100.000 hộ gia đình trong vùng. Tây Ban Nha hiện đã triển khai khoảng hơn 60 dự
án xây dựng nhà máy điện mặt trời và mới đây đã khánh thành sản xuất quang
nhiệt điện đầu tiên ở Sanlucar, gần Seville.
Tính đến năm 2007, Đức đã vượt qua Nhật Bản để thống trị ngành sản xuất
năng lượng quang điện trên thế giới. Chỉ tính riêng năm 2007, Đức đã sản xuất
1063 MW năng lượng mặt trời. Đức vẫn là nhà lắp đặt hệ thống năng lượng quang
điện hàng đầu thế giới, với bằng chứng là sản lượng năng lượng của Đức chiếm
gần một nửa sản lượng toàn cầu. Năng lượng quang điện hiện nay đã đạt ngưỡng
1% nhu cầu tiêu thụ điện của nước Đức và được các nhà phân tích dự báo rằng có
thể đạt mức 25% vào năm 2050. Theo Hans-Josef Fell, Nghị sĩ Quốc hội Đức, thì
"nguồn năng lượng từ pin mặt trời có khả năng thay thế năng lượng nguyên tử của
Đức trong vài thập kỷ tới".
Trong khi đó, Nhật Bản tiếp tục là quốc gia sản xuất tấm hấp thụ năng
lượng mặt trời nhiều hơn bất kỳ quốc gia nào khác với tổng công suất năng lượng
sản xuất đạt được trong năm 2007 là 920 MW.
Ở Pháp, trung bình một mét vuông đất có thể thu nhận mỗi năm 1 MWh điện năng
lượng mặt trời. Nếu thu được 10% số năng lượng ấy thì sẽ đảm bảo được toàn bộ
lượng điện tiêu thụ của cả nước". EDF (Tổng Công ty Điện lực Pháp) đã đạt được
những thành công lớn: Mỗi tháng, EDF nối 800 điểm sản xuất điện từ pin mặt trời
vào lưới điện.
Trung Quốc là nước có tiềm năng lớn nhất có thể tiêu thụ các sản phẩm tấm
pin năng lượng mặt trời, trong vài năm qua cũng trở thành một trong những nước
đi đầu trong lĩnh vực này nhưng lượng tiêu thụ rất nhỏ, khoảng 100MW trong năm
2007. Hội nghị Thượng đỉnh thành lập Liên minh Địa Trung Hải đầu tháng
7/2008 khẳng định, sẽ cho xây dựng một nhà máy điện mặt trời lớn trên sa mạc
Sahara, nhằm cung cấp điện cho châu Âu và châu Phi. Dự kiến, năm 2050, nhà

máy này sẽ đạt công suất 100.000 MW.
Tuy nhiên, triển vọng sử dụng năng lượng mặt trời vẫn còn là trong mơ
ước: giá thành của sản phẩm điện sản xuất từ pin mặt trời vẫn còn tương đối cao.
Hơn nữa, ngành sản xuất điện năng này còn phải quan tâm đến vấn đề môi trường.
4

II. Công nghệ và thị trường pin mặt trời
Các hệ thống năng lượng mặt trời gồm 2 loại chính: (1) Các hệ thống nhiệt
mặt trời và (2) các hệ thống điện mặt trời (hay còn gọi là hệ thống quang điện-
PV). ở các hệ thống nhiệt mặt trời, năng lượng mặt trời được thu giữ dưới dạng
nhiệt, sau đó, nhờ vật liệu truyền nhiệt, dùng để sưởi ấm, làm mát hoặc đun nước,
hoặc có thể được tập trung lại để nấu nồi hơi tuabin chạy máy phát điện.
Công nghệ PV: Hiện trạng và triển vọng
Các hệ thống PV là dựa vào các vật liệu để biến ánh sáng mặt trời thành
dòng điện. Công nghệ PV gồm 3 loại chủ yếu như sau:
- Thế hệ 1 dựa vào silic và các phương pháp chế tạo của ngành công nghiệp
bán dẫn;
- Thế hệ 2 dựa vào những vật liệu màng mỏng và những phương pháp được
phát triển trong các ngành chế tạo màng và chất phủ.
- Thế hệ 3 là một loạt các công nghệ và các cách tiếp cận chế tạo mới, hứa
hẹn nâng cao hiệu suất biến đổi năng lượng, giảm chi phí chế tạo.
Nhiều chuyên gia tin rằng chiến lược tốt nhất để tận dụng tiềm năng to lớn
của ánh sáng mặt trời là thông qua các công nghệ thế hệ 2 và 3.
Công nghệ
Việc phân định công nghệ PV thành 3 thế hệ là dựa vào: (1) những vật
liệu và quy trình chế tạo được sử dụng và (2) hiệu năng biến đổi cực đại mà về lý
thuyết chúng có thể nhận được. Ranh giới giữa thế hệ 2 và 3 đôi khi không rõ rệt.
Ba thế hệ công nghệ và những công nghệ nằm trong đó cạnh tranh nhau để
tăng hiệu năng, giảm giá thành vật liệu và chi phí chế tạo. Năm 2006, những công
nghệ thế hệ 1 chiếm 90% doanh số. Nhìn chung, chúng có hiệu năng cao nhất,

nhưng giá thành vật liệu và chi phí chế tạo cao. Giá những mođun PV dựa vào vật
liệu công nghệ thế hệ 1 ước tính khoảng 3-4 USD/W. Khi kể cả những thiết bị cân
bằng hệ thống khác, chẳng hạn như bộ biến đổi điện một chiều thành xoay chiều,
các bộ acquy, thì giá thành tăng lên 6-8 USD/W. Nghĩa là giá điện của các hệ
thống PV sản xuất ra là vào khoảng 0,25-0,65 USD/kWh, lớn hơn một bậc so với
giá điện sản xuất từ than đốt hiện nay.
Những công nghệ thế hệ 2 – thường gọi là PV màng mỏng, vì chúng được
chế tạo từ các vật liệu màng mỏng – có doanh số năm 2006 chiếm từ 7%, năm
2007 tăng lên 11%, một phần do giá silic tăng. Mặc dù vật liệu màng mỏng
thường có hiệu năng biến đổi thấp, nhưng giá thành vật liệu lại thấp hơn vì: (1)
giảm hoặc loại bỏ được lượng silic hoặc vật liệu cần thiết khác, và (2) sử dụng
những phương pháp chế tạo có chi phí thấp. Vì vậy, những công nghệ màng mỏng
được hưởng lợi từ giá thành cao của silic.
Các công nghệ có phạm vi rất đa dạng của thế hệ 3 chủ yếu đang ở pha
nghiên cứu nhưng hứa hẹn sẽ đem lại hiệu năng cao hơn, đồng thời chi phí cũng
thấp hơn. Những công nghệ đó tìm cách biến đổi một tỷ lệ lớn của phổ ánh sáng
mặt trời thành điện thông qua một loạt các vật liệu, công nghệ và phương pháp chế
tạo mới.
5
Mặc dù giá thành của các công nghệ thế hệ 1 là cao, song cả chi phí lẫn
hiệu năng của chúng đều được cải thiện rất nhiều ở vài thập kỷ qua. Hiệu suất của
những pin PV thương mại đã tăng từ 6% lên hơn 15%. Giá thành của chúng cũng
giảm từ 20 USD/W hồi thập kỷ 70 xuống 2,7 USD/W năm 2004, trước khi giá
silic tăng buộc giá PV phải tăng theo. ở phòng thí nghiệm và những ứng dụng trên
vũ trụ, những vật liệu và kỹ thuật tiên tiến đã đạt tới hiệu năng là 35-45%.
Công nghệ thế hệ 1
Trong số hơn 90% pin PV sản xuất ra năm 2006 dựa vào công nghệ thế hệ
1, có 52,3% là từ silic đa tinh thể, còn 38,3% là từ silic đơn tinh thể. Những vật
liệu này được sản xuất ra nhờ những phương pháp chế tạo rất tốn kém được phát
triển bởi ngành công nghiệp bán dẫn. Nhiều hãng hiện đang tìm cách cải tiến

những phương pháp này hoặc tìm kiếm những phương pháp mới.
Schott Solar, nhà chế tạo pin và tấm đa tinh thể, tiếp tục đổi mới bằng
cách tinh chế các sản phẩm của mình. Tháng 12/2007, công ty thông báo đã phát
triển được một cấu trúc bề mặt mới, có khả năng biến đổi nhiều ánh sáng chiếu
vào thành điện năng. Bởi vậy, những pin đó giảm được lượng silic cần thiết cho
1W điện.
Những công ty khác đang chú trọng vào cải tiến việc cung cấp silic ở
thượng nguồn. SunPower, một công ty phần lớn được sở hữu bởi Cypress
Semiconductor, đang tìm cách áp dụng những đổi mới gần đây nhất vào xí nghiệp
chế tạo pin PV 25 MW đầu tiên của mình tại Philippin. Tương tự, Solaicx đã phát
triển một quy trình liên tục để cấy các tấm silic đơn tinh thể, với năng suất cao hơn
5,5 lần những nhà sản xuất theo từng lô. Solaicx đã bắt đầu sản xuất vào tháng
11/2007, với xí nghiệp có tổng công suất 40 MW, sau tăng lên 160 MW vào cuối
năm 2008.
Các công ty khác đang theo đuổi cách tiếp cận tầng sôi để tạo silic. AE
Polysilicon ở Mỹ đang sử dụng lò phản ứng tầng sôi chu trình khép kín, thân thiện
với môi trường để sản xuất silic hạt, tại xí nghiệp sản lượng 1800 tấn/năm, khai
trương vào năm 2009. Nếu thành công, công ty sẽ tăng sản lượng lên 12.000
tấn/năm vào năm 2010. Wacker Chemie của Đức cũng phát triển một xí nghiệp
sản xuất polysilic mới (sản lượng 650 tấn/năm), sử dụng quy trình tầng sôi liên
tục, khai trương năm 2008.
Ngoài ra, một số công ty lớn nhất đang tích cực đổi mới hoặc tăng cường
sản xuất và hạ chi phí thông qua học hỏi và tiết kiệm nhờ quy mô. Q-tells của Đức
có Phòng R&D 300 nhân viên đang tích cực theo đuổi các công nghệ thế hệ 1 lẫn
thế hệ 2, tương tự như hơn 160 tổ chức khác ở Đức. Tháng 3/2007, hãng biện pháp
thông báo đã xây dựng xí nghiệp 300 MW/năm tại Tây Ban Nha. Hãng cũng lập
liên doanh với Tata của ấn Độ để sản xuất điện mặt trời tổng công suất 300
MW/năm vào năm 2010.
Cuối cùng, một số doanh nghiệp nhỏ ở Mỹ (chẳng hạn như Blue Square
ênrgy và CaliSolar) đang chú trọng phát triển những phương pháp để biến silic

chất lượng thấp thành nguyên liệu dùng cho pin PV có khả năng cạnh tranh.
6
Công nghệ thế hệ 2
Các công nghệ pin màng mỏng phổ biến nhất là được chế tạo từ silic vô
định hình. Những hãng như Sharp, United Solar Ovonic và Mitsubishi sử dụng
công nghệ này. Vì công nghệ dựa vào silic nên nó cũng bị tác động bởi sự tăng giá
của silic, nhưng dẫu sao nó vẫn sử dụng silic ít hơn nhiều so với công nghệ thế hệ
1.
Theo Manufacturing and Technology News 2008, First Solar là hãng PV
đang tăng trưởng nhanh nhất thế giới. Sự tăng trưởng của hãng được tạo động lực
một phần là bởi hãng dựa vào vật liệu cadmium telluride (CdFe), và sự cạnh tranh
từ phía các hãng khác đang gia tăng. Ví dụ, tháng 9/2007, AVA Solar thông báo sẽ
xây dựng một xí nghiệp sản lượng 200 MW cho các môđun màng mỏng CdFe, dự
kiến sẽ đi vào sản xuất vào cuối năm 2008. Những công ty nhỏ khác đang tiến
hành nghiên cứu trong lĩnh vực này gồm PrimeStar Solar.
SoloPower, Miasole, Narosolar, Heliovolt và Ascent Solar đang phát triển
những tấm mảng mỏng từ đồng indium gallicum selenide (CIGS). Hãng đặt kế
hoạch sẽ có năng lực chế tạo là 20 MW (sử dụng phương pháp kết tủa điện hóa)
vào năm 2008 và hy vọng nâng lên 120 MW vào cuối năm 2010. Miasole cũng
đang dự định bắt đầu chế tạo, trên cơ sở sử dụng cách tiếp cận khuếch tán kết tủa
chân không. Tuy nhiên, ngay từ tháng 12/2007, báo cáo của hãng cho biết đã thất
bại trong bước đầu sản xuất thương mại tại xí nghiệp 50 MW của mình, do hiệu
suất quá thấp. Cũng vào tháng 12/2007, Nanosolar chuẩn bị thương mại hóa PV
màng mỏng CIGS, với hiệu suất của mođun đạt hơn 10%. Cách tiếp cận của hãng
là dựa vào kỹ thuật in mực hạt nano năng suất cao lên dải kim loại. Hãng dự kiến
sẽ bắt đầu và sản xuất hết công suất xí nghiệp chế tạo, với sản lượng 430 MW vào
năm 2008.
Heliovolt sử dụng kỹ thuật in nhanh để phủ vật liệu CIGS lên nền kính.
Các tấm PV của hãng đạt hiệu suất 10-12% tại nhà máy chế thử được khai trương
vào năm 2006. Tháng 10/2008, hãng khai trương thêm 1 xí nghiệp rộng 122.400

ft2 tại Austin, Texas.
Ascent Solar đang phát triển công nghệ màng mỏng CIGS với chất nền là
chất dẻo. Sản phẩm đưa ra có trọng lượng nhẹ, mềm dẻo và có thể kết hợp với vật
liệu xây dựng. Gần đây, Ascent đã đạt được thỏa thuận với Gisosa Sociedad của
Tây Ban Nha để kết hợp công nghệ này với các sản phẩm mái cao su, được phân
phối rộng khắp trên toàn châu Âu.
Công nghệ thế hệ 3
Một số cách tiếp cận được dùng ở các công nghệ như sau:
- Pin PV nhạy cảm với chất nhuộm;
- Chấm và giếng lượng tử;
- Pin PV hữu cơ
- Các công nghệ dựa vào kỹ thuật nano khác.
- Các pin PV tập trung (sử dụng những vật liệu của cả 3 thế hệ).
Nhiều công nghệ kết hợp 2 hoặc nhiều hơn các cách tiếp cận này cùng
một lúc, cho thấy sự tinh xảo của ngành chế tạo PV.