Bài viết này là bản tin khoa học đăng năm 2016. Nội dung gốc nói về một kết quả nghiên cứu trên pin mặt trời CdTe, tức pin cadimi telua, khi nhóm nghiên cứu lần đầu đưa điện áp hở mạch vượt mốc 1 volt sau sáu mươi năm dừng lại ở khoảng 900 milivôn. Bài giữ nguyên nội dung bản tin, đối chiếu với những gì đã xảy ra sau đó, và ở mục cuối bàn về thiết bị cho phép đo điện áp nhỏ.
Bản tin năm 2016: mốc 1 volt của pin cadimi telua
Nhóm nghiên cứu gồm các nhà khoa học của Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia Hoa Kỳ, Đại học Washington và Đại học Tennessee. Kết quả được bản tin mô tả là một cột mốc: điện áp tối đa có sẵn của tế bào CdTe vượt qua giới hạn thực tế đã được thiết lập từ sáu thập kỷ trước.
Bản tin nhắc lại bối cảnh của thời điểm đó. Pin silic chiếm khoảng chín mươi phần trăm thị trường nhưng khó giảm thêm chi phí sản xuất. Pin CdTe có chi phí thấp, dấu chân các-bon thấp nhất trong các công nghệ quang điện, và hoạt động tốt hơn silic trong điều kiện nóng ẩm cùng ánh sáng yếu. Điểm yếu duy nhất là hiệu suất chưa bằng.
Điện áp hở mạch và lý do mắc kẹt sáu mươi năm
Điện áp hở mạch là điện áp giữa hai cực khi không có dòng qua tải. Nó là trần điện áp của tế bào. Nhân với dòng ngắn mạch và hệ số điền đầy sẽ ra công suất cực đại, nên trần thấp thì hiệu suất bị chặn ngay từ đầu, dù các thông số khác có tốt.
Theo bản tin, trong sáu mươi năm các nhóm nghiên cứu không vượt được mức 900 milivôn với vật liệu này, và con số đó dần được coi như giới hạn thực tế. Nguyên nhân nằm ở chất lượng vật liệu chứ không ở lý thuyết: khuyết tật trong tinh thể và tại mặt tiếp giáp làm hạt tải tái hợp sớm.
Cách làm mới bỏ hẳn bước xử lý bằng clorua cadimi, vốn là bước chuẩn của quy trình cũ. Thay vào đó, nhóm đặt một lượng nhỏ nguyên tử phốt pho lên các nút mạng telua, rồi tạo các giao diện giữa những vật liệu có khoảng cách nguyên tử khác nhau. Bản tin ghi rằng cách này cải thiện tính dẫn điện và tuổi thọ hạt tải lên nhiều bậc.
Nuôi tinh thể trong phòng sạch: một milimét mỗi giờ
Phần chế tạo vật liệu do nhóm Đại học Washington thực hiện, và các con số cho thấy vì sao loại nghiên cứu này chậm.
| Bước | Điều kiện theo bản tin |
|---|---|
| Chuẩn bị vật liệu | Trộn, chuẩn bị, hàn và hút chân không trong phòng sạch tiêu chuẩn công nghiệp, vì độ tinh khiết quyết định kết quả |
| Tổng hợp tinh thể | Nung trong lò ở nhiệt độ trên 1.100 độ C bằng kỹ thuật tổng hợp từ dung dịch nóng chảy |
| Làm nguội | Làm mát từ dưới lên với tốc độ khoảng một milimét mỗi giờ |
| Gia công mẫu | Cắt tinh thể thành các lát mỏng để chế tạo tế bào quang điện |
Tốc độ một milimét mỗi giờ nghĩa là một thỏi tinh thể vài centimét mất vài ngày chỉ riêng khâu làm nguội. Mỗi lần đổi một tham số công nghệ là một chu kỳ chờ mới, và đó là lý do các bước tiến trong lĩnh vực vật liệu quang điện thường tính bằng năm.
Nhìn lại sau mười năm: kỷ lục phòng thí nghiệm và thị trường
Bản tin kết bằng một dự đoán: có nhiều khả năng cải thiện hiệu suất của cadimi telua và có thể đạt trên ba mươi phần trăm. Điều đó đã không xảy ra trong mười năm sau. Kỷ lục hiệu suất của tế bào CdTe trong phòng thí nghiệm hiện nằm quanh mức hai mươi hai tới hai mươi ba phần trăm, còn mốc trên ba mươi phần trăm lại thuộc về một hướng khác là tế bào tandem ghép perovskite trên nền silic.
Dự đoán ngầm thứ hai cũng lệch. Tỷ trọng của silic không giảm mà còn tăng, hiện chiếm phần lớn hơn cả con số chín mươi phần trăm mà bản tin nêu, do giá tấm silic giảm sâu hơn mọi kịch bản của năm 2016. Công nghệ CdTe vẫn tồn tại và vẫn giữ ưu thế ở vùng nóng ẩm, nhưng ở quy mô hẹp và tập trung vào một số ít nhà sản xuất.
Phần đúng của bản tin là phần kỹ thuật. Kết quả vượt 1 volt là kết quả thật, và nó chỉ ra một điều chung cho mọi ngành: khi một chỉ số đứng yên hàng chục năm, chỗ tắc thường nằm ở cách chế tạo chứ không nằm ở nguyên lý.
Chọn thiết bị cho phép đo điện áp nhỏ
Bài toán đo trong phòng thí nghiệm vật liệu và trong trạm kiểm tra tấm pin có chung một đặc điểm: tín hiệu cần đo ở mức milivôn, còn môi trường xung quanh đầy nhiễu từ lưới điện và từ thiết bị công suất. Ba thứ quyết định số đo có dùng được hay không là kênh vào vi sai, độ trôi theo nhiệt độ, và khả năng khử nhiễu.
| Vai trò | Thiết bị | Đặc điểm theo tài liệu hãng |
|---|---|---|
| Đo điện áp nhỏ trên bàn thí nghiệm hoặc trong tủ đo | ADAM-4117 | 8 kênh vi sai cấu hình độc lập, độ phân giải 16 bit, dải từ 0 ~ 150 mV tới ±15 V và các dải dòng, trôi điểm không ±6 µV/°C, trôi thang ±25 ppm/°C, khử nhiễu đồng pha 92 dB và khử nhiễu thường 60 dB ở 50/60 Hz, cách ly 3.000 VDC, nguồn 10 ~ 48 VDC, nhiệt độ làm việc -40 đến 85 độ C |
| Điểm đo nối thẳng vào mạng, không cần bộ chuyển đổi nối tiếp | ADAM-6017 | 8 kênh vào tương tự và 2 kênh ra số trên nền Ethernet 10/100 Mbps, nhận tín hiệu mV, V và mA, có trang web cấu hình sẵn, tính trực tiếp giá trị lớn nhất, nhỏ nhất và trung bình tại mô-đun |
| Máy tính đặt trong tủ rack của phòng đo | IPC-610H | Vỏ rack 4U nhận tới 15 card mở rộng, khoang ổ đĩa chống sốc, hai quạt lọc bụi tháo từ mặt trước, cửa trước có khoá, hỗ trợ nguồn đơn hoặc nguồn dự phòng tới 500 W |
Hai giới hạn cần nhớ. Thứ nhất, tốc độ lấy mẫu của các mô-đun này là 10 hoặc 100 mẫu mỗi giây cho toàn bộ kênh, đủ cho phép đo tĩnh và cho việc quét đặc tuyến chậm, nhưng không thay được thiết bị đo quá độ dùng trong máy thử chớp sáng. Thứ hai, dây tín hiệu phải đi riêng khỏi dây động lực và có màn chắn nối đất một đầu, nếu không thì mọi thông số khử nhiễu của mô-đun đều không cứu được số đo.
Cách gom số liệu ở quy mô một nhà máy điện đã lắp xong nằm trong bài giám sát nhà máy điện mặt trời. Danh sách mô-đun nối mạng theo từng loại tín hiệu có ở dòng ADAM-6000, còn vỏ máy và máy rack cho phòng đo nằm trong danh mục máy tính công nghiệp dạng rack. Phần nền về máy tính công nghiệp của hãng có tại chuyên mục Advantech trên IPC247. Khi cần chọn máy theo số khe cắm card đo, dùng công cụ chọn máy theo nhu cầu.
Câu hỏi thường gặp về pin mặt trời CdTe
Điện áp hở mạch của pin mặt trời là gì?
Là điện áp đo được giữa hai cực khi không có dòng chạy qua tải. Đó là điện áp lớn nhất mà tế bào có thể cho, và cùng với dòng ngắn mạch cùng hệ số điền đầy, nó quyết định công suất cực đại. Điện áp hở mạch thấp thì dù dòng có tốt, hiệu suất vẫn bị chặn.
Nhóm nghiên cứu đã làm gì khác với quy trình cũ?
Họ bỏ bước xử lý bằng clorua cadimi vốn là bước chuẩn, thay bằng cách đặt một lượng nhỏ nguyên tử phốt pho lên các nút mạng telua, rồi tạo giao diện giữa các vật liệu có khoảng cách nguyên tử khác nhau. Cách này cải thiện tính dẫn điện và tuổi thọ hạt tải, nhờ đó điện áp hở mạch lần đầu vượt 1 volt.
Vì sao mốc 900 milivôn tồn tại suốt sáu mươi năm?
Vì nó không phải giới hạn lý thuyết mà là giới hạn của chất lượng vật liệu. Khuyết tật trong tinh thể và ở mặt tiếp giáp làm hạt tải tái hợp sớm, kéo điện áp xuống. Chừng nào cách chế tạo chưa đổi thì con số đo được vẫn dừng ở đó, dù lý thuyết cho phép cao hơn.
Mô-đun ADAM đo được điện áp nhỏ tới mức nào?
ADAM-4117 có các dải đo bắt đầu từ 0 ~ 150 mV và ±150 mV, độ phân giải 16 bit, trôi điểm không ±6 µV mỗi độ C và trôi thang đo ±25 ppm mỗi độ C. Tốc độ lấy mẫu là 10 hoặc 100 mẫu mỗi giây cho toàn bộ kênh, phù hợp với phép đo tĩnh chứ không phải phép đo quá độ.
Vì sao phép đo trên vật liệu lại cần cách ly và chống nhiễu?
Vì tín hiệu cỡ milivôn rất dễ bị lấn át. Nhiễu từ lưới điện đi vào theo kiểu đồng pha trên cả hai dây tín hiệu, còn vòng lặp đất tạo ra dòng ký sinh chạy qua mạch đo. Kênh vào vi sai, cách ly 3.000 VDC và các chỉ số khử nhiễu đồng pha 92 dB, khử nhiễu thường 60 dB ở 50/60 Hz là để xử lý đúng hai việc đó.
Đọc thêm về thiết bị: toàn bộ máy tính công nghiệp Advantech cùng các hãng khác trên ipc247.com.
