Theo cơ quan năng lượng quốc tế, trong giai đoạn từ năm 2008 đến năm 2035, thị phần năng lượng tái tạo, tính trên tổng thị phần năng lượng toàn cầu, sẽ tăng gấp ba lần. Nghĩa là, điện năng được sản xuất từ năng lượng tái tạo sẽ xấp xỉ với lượng điện năng được sản xuất từ than đá và bằng khoảng 1/3 lượng điện năng toàn cầu sản xuất ra vào năm 2035. Theo công bố của hiệp hội điện mặt trời châu Âu, năm 2010, điện mặt trời có thể đáp ứng 21% trên tổng yêu cầu về điện năng trên toàn thế giới vào năm 2050.

Tính từ lúc pin mặt trời đầu tiên được tạo ra cách đây khoảng 5 thập kỷ, giá thành điện mặt trời đã giảm khoảng 200 lần, đồng thời các nhà máy sản xuất các tấm pin mặt trời đã có mặt khắp thế giới, trong đó có Việt Nam. Hiện nay, hơn 90% các dây chuyền sản xuất pin mặt trời trên thế giới sử dụng công nghệ thế hệ 1 (công nghệ pin mặt trời dựa trên nền silic tinh thể). Giá thành sản xuất trực tiếp một tấm pin mặt trời dựa trên công nghệ thế hệ 1 là vào khoảng 1€/Wp vào năm 2013, dự báo sẽ giảm xuống còn khoảng 0,75€/Wp vào năm 2020, và sẽ thấp hơn nữa trong tương lai.

Tuy vậy, trong tương quan về giá thành giữa điện năng sản xuất từ năng lượng mặt trời với điện năng sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch, thách thức đặt ra là rất lớn đối với công nghệ điện mặt trời. Do vậy, các khuynh hướng nghiên cứu mới về pin năng lượng mặt trời dựa trên vật liệu màng mỏng (vật liệu hữu cơ và vô cơ) đang được quan tâm nghiên cứu. Trong số đó pin mặt trời màng mỏng được cấu thành từ Silic, CdTe, CIGS, … được xem là pin mặt trời thế hệ thứ 1. Theo dự báo của các nhà khoa học, công  nghệ pin mặt trời thế hệ thứ 2 sẽ chiếm thị phần và dần dần thay thế công nghệ thế hệ 1.

Với mô hình sản xuất ở dạng công nghiệp, chẳng hạn như nhà máy điện mặt trời, khu phức hợp ứng dụng điện mặt trời, thì yêu cầu tiên quyết của một hệ thống điện mặt trời không chỉ là giá thành thấp mà còn tuổi thọ cao (trên 25 năm). Điều này chỉ có thể đạt được khi: 1) tăng hiệu suất chuyển đổi; 2) giảm nguyên vật liệu đầu vào và đồng thời vật liệu này phải bền, ổn định, và dồi dào trên trái đất; yêu cầu cuối cùng là 3) giảm giá thành trong quá trình sản xuất và lắp đặt.

Sự bùng nổ mạnh mẽ về công nghệ màng mỏng trong những năm gần đây đã thúc đẩy phát triển các loại pin mặt trời có cấu trúc mới, song song với việc phát triển các loại vật liệu màng mỏng có nguồn gốc từ công nghệ nano, quang tử, các vật liệu giả kim loại, plasmonics và các bán hữu cơ và vô cơ mới... Pin mặt trời được cấu thành từ các vật liệu tiên tiến này đang được xem là thế hệ thứ 3.

Hiện nay, những tiến bộ nhảy vọt của trình độ khoa học kỹ thuật đã giúp cải tiến quy trình sản xuất (xử lý mẫu, tạo chuyển tiếp p-n, giảm khuyết tật bề mặt, …), giảm nguyên liệu đầu vào, tạo chuyển tiếp, cũng như cải thiện hiệu suất chuyển đồi…. Theo kinh nghiện của các chuyên gia đầu ngành về pin mặt trời, để giảm giá thành là cả một quá trình công nghệ liên quan đến việc chế tạo pin mặt trời chứ không thể xuất phát từ sự cải tiến đột phá từ một hai bước cụ thể nào đó.

Hiện nay, có một số loại pin mặt trời có hiệu suất chuyển đổi rất cao, tuy nhiên cấu trúc lại khá tinh vi, có nghĩa là quy trình sản xuất rất phức tạp. Như vậy, giá thành để sản xuất những pin mặt trời loại này là rất cao. Điều đó là không phù hợp với việc sản xuất đại trà, bởi vì để đi vào sản xuất hàng loạt ở quy mô công nghiệp, công nghệ sản xuất yêu cầu phải đơn giản, công suất lớn, và có tính lặp lại cao.

Như vậy, để tổng hòa cả hai yếu tố: hiệu xuất chuyển đổi cao, giá thành thấp, pin mặt trời dị thể có lớp bán dẫn thuần (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer - HIT) đã được đề xuất, dựa trên sự kết hợp của công nghệ pin mặt trời thế hệ 1 và 2. Với công nghệ mới này, thường được gọi là công nghệ lai, pin mặt trời dị thể HIT được sản xuất ra ở diện tích lớn (tương đương pin mặt trời sản xuất ở quy mô công nghiệp – 100.4 cm²) cho hiệu suất chuyển đổi rất cao (24.7%) nhờ thế hở mạch rất lớn (750mV).

So với pin mặt trời thế hệ 1, Pin mặt trời dị thể HIT được tạo ra trên nền Silic có độ dày nhỏ hơn (< 200 µm), và nhiệt độ của cả quy trình là thấp hơn, như mô tả ở hình 1.1. Như vậy rõ ràng rằng so về mặt kinh tế, pin mặt trời loại này có giá thành thấp hơn so với pin mặt trời thế hệ 1, trong khi bền hơn pin mặt trời thế hệ thứ 2.

Ý tưởng khởi nguồn về một pin mặt trời dị thể dựa trên nền tinh thể Silic xuất phát từ nhà khoa học Walther Fuhs cùng các cộng sự của ông vào năm 1974. Tuy nhiên, để thu được thế hở mạch (V_oc) lớn ( > 700 mV), một lớp mỏng bán dẫn thuần Silic vô định hình (a-Si:H(i)) được đưa vào giữa lớp tiếp giáp a-Si:H và c-Si. Chính lớp a-Si:H(i) này đã giúp làm giảm khuyết tật tại lớp tiếp giáp dị thể, dẫn đến làm giảm khả năng tái hợp hạt tải, đồng thời tăng thế hở mạch, V_oc.

Tiếp đó, rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã tiếp cận và đưa ra các giải pháp khác nhau nhằm nâng hiệu suất của pin mặt trời dị thể HIT: loại bỏ lớp bán dẫn thuần (a-Si:H(i)), nồng độ pha tạp cho các lớp bán dẫn pha tạp thấp hơn, emitter đa lớp (a-Si:H/µc-Si:H), hoặc emitter có độ rộng vùng cấm lớn (a-SiC:H), …Số lượng ngày càng tăng của các công trình nghiên cứu liên quan đến pin mặt trời dị thể HIT được phản ảnh qua số lượng ấn bản cũng như chỉ số trích dẫn như mô tả ở hình 1.2.

Hình 1.3 cho chúng ta có một cái nhìn tổng quan về sự tăng hiệu suất pin mặt trời dị thể HIT theo thời gian. Đến nay, Sanyo vẫn cho thấy rằng họ vừa là nhóm tiên phong trong lĩnh lực này, cũng đồng thời là nhóm nghiên cứu đạt được hiệu suất cao nhất, cao hơn 2% so với các nhóm nghiên cứu còn lại (hiệu suất của công ty Sanyo là 24.7%, được tạo ra trên dế Silic tinh thể rất mỏng (98 µm). Nhóm nghiên cứu đến từ phòng thí nghiệm NREL (Mỹ), đã đạt được hiệu suất chuyển đổi 18.2% trên đế loại n, và 19.3% trên đế loại p. Với sự cộng tác của 2 phòng thí nghiệm ở châu âu là Roth & Rau (Thụy Sĩ) và EPFL (Hà Lan), họ đã đạt được hiệu suất là 19.6% ở qui mô công nghiệp (148 cm²), trong đó V_oc: 718 mV. Nhóm nghiên cứu đến từ trường Đại học Sungkyunkwan – ICDL-SKKU (các nhà khoa học thuộc Bộ Môn Công Nghệ Vật Liệu thuộc Khoa cơ bản, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh cũng có tham gia dự án này) đã đạt được hiệu suất chuyển đổi khoảng 23% vào năm đầu năm 2016.

Để đạt được hiệu suất cao, yêu cầu tiên quyết đầu tiên là phải có tiếp xúc dị thể (a-Si:H/c-Si) tốt (ít khuyết tật bề mặt nhằm giảm tâm tái hợp đối với các loại hạt tải). Thứ hai, qui trình chuần bị và sử lý bề mặt mẫu cùng đòi hỏi nghiêm ngặc. Sư tương tác giữa các loại khí, về mặt vật lý cũng như hóa học, trong quá trình lắng đọng các lớp màng mỏng cũng phải được hiểu rõ, vì điều này ảnh hưởng lên độ rộng vùng cấm, năng lượng kích hoạt, band-offset, độ cong vùng, và mật độ trang thái bề mặt, …

Qui trình các bước để tạo ra một pin mặt trời dị thề HIT có thề mô tả một cách ngắn gọn như sau: 1) tạo tiếp xúc dị thể a-Si:H/c-Si có chất lược tốt nhất có thể, như mô tả ở trên; 2) phủ màng chống phản xạ ở mặt trước với màng mỏng dẫn điện trong suốt (TCO); 3) tạo điện cực kim loại mặt trước; cuối cùng 4) phủ màng đa lớp TCO/kim loai ở mặt sau, trong đó TCO đóng vai trò gương phản xạ, còn kim loai đóng vai trò điện cực. Cấu trúc của một pin mặt trời dị thể HIT được mô tả ở hình 1.4.

  Hình 1.4. Cấu trúc của pin mặt trời dị thể HIT.

(Còn tiếp)