90-95% những tấm panel ấy được làm từ silic hạng điện mặt trời [solar-grade silicon]
Điện mặt trời
người Hy Lạp cổ đại đã thiết kế nhà để lưu giữ nhiệt năng của mặt trời cho những ngày đông rét
thế kỷ 1700, Horace de Saussure nhà khoa học Thuỵ Sĩ đã phát triển một hộp kính cách nhiệt mặt trời sẽ đun nóng nước bằng năng lượng mặt trời
năm 1839 nhà vật lý Edmond Becquerel người Pháp mới 19 tuổi đã khám phá hiệu ứng quang điện: nếu phơi sáng một số vật liệu nhất định thì chúng sẽ sản sinh điện áp và dòng điện
Henri con trai của Edmund sau đó khám phá bằng chứng phóng xạ và giành đồng giải Nobel vật lý năm 1903 với nhà Curies
Que silic
Russell Ohl là nghiên cứu sinh vật liệu ở Bell Labs làm việc xem xết những cách hành xử của tinh thể: ông thử sử dụng tinh thể để phát hiện hiện diện của những sóng vô tuyến [radio] nhất định
những thiết bị phát hiện [detector] thường làm từ silic, là linh kiện quan trọng của radar
tuy nhiên, hành xử của những máy phát hiện bằng tinh thể này thì hơi thất thường: Ohl tìm ra được lý do vì những không tinh khiết [impurity]
Ohl đã tìm những phôi [ingot] silic tinh khiết hơn [increasingly pure], thậm chí cất công xây dựng lò luyện [furnace] riêng để làm
một trong những phôi này, tinh khiết 99.8%, được cắt thành những một que [rod]
Ohl làm một thẩm nghiệm dẫn điện bằng máy dao động ký [oscilloscope] và nhận thấy que sản sinh ra một vòng lặp kỳ dị [peculiar loop] trên máy [tool]: dấu hiệu cho thấy một hình thức rào cản [barrier] nào đó trong silic
Ohl cho rằng silic vẫn không đủ tinh khiết và để cái que đó sang một bên
một năm sau, Ohl nhận ra rằng cái que có một vết nứt nhỏ và thực hiện thẩm nghiệm đo dao động ký lần nữa: nghĩ rằng vết nứt có thể là lý do tại sao rào cản dẫn điện xảy ra
Ohl thí nghiệm và nhận thấy hành xử của vòng lặp đột nhiên thay đổi nếu đặt lên trên một bát nước, và lại thay đổi khi gần phơi [expose] đến [to] một sắt hàn nóng [hot soldering iron]
Ohl khoe hiện tượng này cho một số đồng nghiệp ở Bell Labs, không ai biết tại sao que silic này sản sinh dòng điện mạnh mỗi khi phơi sáng, ngoại trừ một người
Que ánh sáng
hoá ra, cái que đó là một vật liệu lai [hybrid] kỳ lạ
khi làm ra phôi silic nguyên liệu làm cái que này, hai nhà luyện kim ở Bell Labs đã làm nguội chậm để tránh những vết nứt không mong muốn: làm vậy, những 'vết bẩn' [impurity] đã bên trong silic bị tách thành 2 vùng [section] phôi: một là hạng thương mại bị nhiều 'vết không tinh khiết'[impurity] hơn và hai là silic tinh khiết hơn nhiều
cho nên, khi họ cắt ra cái que ấy, họ vô tình tạo cái que có cả 2 vùng silic: mỗi vùng mỗi đầu - vùng nhiều 'vết bẩn' [impurity] hơn sẽ có thêm electron bên trong và vùng kia silic tinh khiết hơn có thêm những hao hụt [decifit] electron hay gọi là lỗ trống [hole]
giữa hai vùng là một rào cản: cấu trúc này khiến electron chỉ có thể đi theo một hướng nhất định từ đầu này sang đầu kia
khi ta chiếu ánh sáng lên khu vực rào cản, photon đánh bật những electron lỏng lẻo [mức năng lượng cao - vùng hoá trị] thành electron tự do: có thể đi đâu đó nhưng vì rào cản đã ở đó nên electron chỉ có thể di chuyển theo hướng nhất định lan khắp [across] rào cản - tạo nên dòng điện
cái Ohl khám phá được là rào cản P-N nay nổi tiếng là nối P-N
nối P-N là viên gạch căn bản của những thiết bị như bóng bán dẫn, điốp và những cell quang điện
năm 1946 Ohl nộp đăng ký bằng sáng chế Mỹ cho một "thiết bị nhạy sáng" là tổ tiên của cell điện mặt trời ngày nay
năm 1954 một nhóm khác ở Bell Labs tạo ra cell điện mặt trời silic
thời báo New York đăng tin: "hiện thực hoá một trong những giấc mơ đắm đuối [cherished] nhất của nhân loại - khai thác [harness] năng lượng vĩnh cửu của mặt trời"
Silic điện mặt trời
ngày nay hầu hết mọi cell điện mặt trời sử dụng ở Trái Đất là làm từ silic
thị trường quy tụ về sử dụng silic từ thập niên 1970 khi thị trường điện mặt trời tăng trưởng sau những khủng hoảng dầu mỏ
ngoài vũ trụ, những mảng [array] cell điện mặt trời được làm chủ yếu bởi những cell mặt trời dựa trên gali asen [GaAs] hiệu suất cao hơn và tốc độ thoái hoá biến chất [degrade] chậm hơn
chính phủ Mỹ nghiên cứu điện mặt trời từ thập niên 1950 cho sứ mệnh du hành vũ trụ
từ năm 1950 đến 1970 chi nghiên cứu phát triển liên bang cho điện mặt trời đặt ở Trái Đất chỉ trung bình dưới 100 000 đôla một năm
đối phó khủng hoảng dầu mỏ Arab năm 1973, Mỹ năm 1974 đầu tư hàng tỷ đôla những chương trình mới phát triển lựa chọn thay thế dầu mỏ
24% đầu tư nghiên cứu phát triển của chính phủ liên bang Mỹ từ năm 1961 đến 2008 đã chi ra chỉ trong 7 năm từ năm 1974 đến 1980
trong đó 4 tỷ đôla đầu tư vào một chương trình Synfuel làm nhiên liệu từ than và đá phiến dầu, 16 tỷ đôla vào điện hạt nhân và 2 tỷ đôla vào một dự án thương mại hoá điện hạt nhân quy mô lớn
Thương mại hoá điện mặt trời
bộ năng lượng Mỹ chỉ muốn hậu thuẫn những công nghệ điện mặt trời đã "khả thi thương mại"
những cell quang điện chỉ là một trong 3 công nghệ điện mặt trời nhận được hậu thuẫn: 2 còn lại liên quan đến đun nóng điện mặt trời [solar heating]
đun nóng điện mặt trời có vẻ hứa hẹn: người ủng hộ cam kết với chính phủ rằng công nghệ căn bản đã sẵn sàng - không ai nói khác, cho nên chính phủ đã dấn thân bằng chính sách tiền ưu đãi [incentive]
nhưng những đánh giá sau này cho thấy những thất bại [failure] kỹ thuật và thất vọng đáng kể
một đánh giá năm 1979 cho thấy chỉ 104 trong số 230 dự án đun nóng điện mặt trời hộ dân cư là từng hoàn thiện, và trong số 104 ấy thì hơn nửa đã phần nào ngừng hoặc hoàn toàn ngừng hoạt động
báo cáo kết luận rằng đã có những không thoả đáng lớn trong hệ thống: khi Reagan lên nắm quyền năm 1980 thì ngành đã gần như hoàn toàn sống nhờ ưu đãi chính phủ - Reagan đơn giản là chấm dứt chương trình
tuy nhiên, chính phủ Mỹ can thiệp ngành quang điện đã có những hiệu ứng tích cực: nền tảng công nghệ đã mạnh lên cho nên phần lớn 450 triệu dành cho nghiên cứu phát triển đã chuẩn bị [plow] để cắt giảm giá thành sản xuất và cài đặt những mảng cell điện mặt trời
xét lại, có lẽ cơ hội bị bỏ lỡ nhất là phía nhu cầu: thực hiện ưu đãi hoặc tương tự sẽ kích thích áp dụng điện mặt trời ở thị trường Mỹ - một số tiền đã được dành [allocate] nhưng chương trình không được mở rộng trước khi Reagan bắt đầu cắt giảm ngân sách năm 1980
dù sao thì bấy giờ cell điện mặt trời đã thành công lớn: doanh số tăng, đầu tư tư nhân tăng và ngành đang chuẩn bị xuất khẩu
và quan trọng nhất, ngành đã tụ về một nền tảng công nghệ duy nhất được đánh giá cao là cell điện mặt trời silic
Kinh tế
silic hạng bán dẫn, thường cũng gọi là hạng điện tử, cần độ tinh khiết 99.999% hay 9 đến 11 số 9, tương đương một nguyen tử không đúng [impurity] cho mỗi tỷ hoặc trăm tỷ nguyên tử silic
mặt khác, silic cần để làm cell điện mặt trời không cần quá tinh khiết: càng tinh khiết càng tốt nhưng ngành chỉ cần 6 đến 7 số 9 là được - tối thiếu chỉ cần 4 số 9 [99.9999%]
ngành bán dẫn đáng giá 530 tỷ đôla trên toàn cầu: chi phí tinh khiết của đĩa wafer chỉ chiếm chưa đến 1% tổng giá thành của chip
khác với silic hạng điện mặt trời - đơn giản mà nói, hồi vốn tiềm năng cho một dự án lắp đặt điện mặt trời phụ thuộc nhiều yếu tố: giá thành môđun điện mặt trời tính bằng bao nhiêu đôla mỗi mét vuông
hiệu suất chuyển đổi năng lượng điện mặt trời của môđun là tỷ lệ phần trăm năng lượng mặt trời môđun chuyển hoá thành điện
địa điểm lắp đặt: giá bán điện cho thị trường
silic thô sẽ ảnh hưởng lớn đến bài toán kinh tế này nhờ chi phí của môđun điện mặt trời: 15-20% tổng giá thành của môđun điện mặt trời là từ chi phí vật liệu silic thô
cho nên ngành không thực sự quan tâm đến việc tìm ra cell điện mặt trời hiện năng nhất, mà chỉ muốn cân bằng nhất giữa hiệu năng và giá thành
Sản xuất
yếu tố kinh tế ấy là lý do tại sao ngành điện mặt trời hướng đến sử dụng silic cuối thập niên 1970 là mốc thời gian điện mặt trời có thể bay cao trên đôi cánh của ngành bán dẫn mới phát triển
những bước làm và xử lý đĩa wafer silic cho tấm panel điện mặt trời có lẽ quen thuộc với bài viết về đĩa wafer silic bán dẫn
ta bắt đầu với silic luyện kim [hạng kim loại] sử dụng để sản xuất thép hoặc gang
ta làm bằng cách đặt silica hoặc cát với than củi vào một lò hồ quang điện và nung nóng lên nhiệt độ 1900 độ C
silic hạng kim loại đạt tinh khiết 98% vẫn chứa những tạp chất [impurity] như sắt, nhôm...
để làm thành silic hạng điện mặt trời, phương pháp hàng đầu là Siement: tổng hợp trichloro silane từ silic hạng kim loại, sau đó chưng cất và tinh chế chất lỏng dễ nổ này trước khi đem phản ứng với hydro bên trong một lò phản ứng kết tủa hoá học bay hơi để tạo ra silic hạng điện mặt trời
Cách khác
phương pháp Siemens tiếp tục là chính thống: sản xuất silic tinh khiếm chiếm 90% thị phần - tuy nhiên hiệu suất đạt [yield] chỉ 30%
phương pháp sử dụng và tạo ra nhiều khí chlorine độc hại và cực kỳ tốn năng lượng [energy-intensive]
nhưng phương pháp hiệu quả kinh tế, chủ yếu vì sẵn có công suất lớn chứ không phải hiệu quả [efficient]: quá đơn giản và không có cải thiện lớn nào để làm nữa
các nhà nghiên cứu tìm cách khác: hàng đầu là lò phản ứng Fluidized Bed [phương pháp FBR - đệm tạo tầng sôi]
bắt đầu giống như phương pháp Siement biến silic hạng kim loại thành trichloro silane nhưng FBR chuyển tiếp thành một sản phẩm trung gian là silane - giống methane [khí methan] nhưng là silic
sau đó đặt một hỗn hợp silane và hydro vào một đệm tạo tầng sôi và nung nóng lên 850 độ C
những hạt giống silic nhỏ được thêm vào hỗn hợp
silane được phân rã lên những hạt giống, tạo những hột nhỏ [granule] silic tinh khiết sẽ rơi xuống đáy lò phản ứng và được thu thập
phương pháp mới hiệu quả năng lượng hơn Siement nhưng tăng quy mô công nghiệp có thể khó
ngoài ra, quản lý và giám sát điều kiện bên trong lò phản ứng có thể rất khó
Tinh thể
lúc này silic đa tinh thể [polysilicon] vẫn thành những cụm lớn [chunk] cần biến đổi thành một tinh thể và cắt ra những đĩa wafer trước khi làm thành những cell điện mặt trời và môđun cell [pin]
có thể làm thành 2 loại tinh thể: silic đơn tinh thể [single-crystal] và silic đa tinh thể [multi-crystal] mà người ta cũng gọi là silic đa tinh thể [polysilicon] - ở đây cần phân biệt với những cụm lớn [chunk] silic đa tinh thể [polysilicon]
silic đơn tinh thể thì tất cả nguyên tử gắn với 4 nguyen tử silic khác
ngành bán dẫn sử dụng silic đơn tinh thể: chủ yếu là phương pháp Czochralski và Float Zone để sản xuất - ngành điện mặt trời cũng dùng
những cell điện mặt trời đơn tinh thế thì hiệu quả hơn nhưng chi phí cao hơn vì tỷ lệ đạt [yield] thấp, thiết bị đắt và đợi lâu hơn - không lý tưởng cho ngành mang tính cạnh tranh như điện mặt trời
Silic đa tinh thể [multi-crystal]
vô tổ chức hơn đơn tinh thể, silic đã tinh thể tạo thành từ nhiều 'ngũ cốc' [grain] là những biến vị [dislocation] trong những mối liên kết nguyên tử [atomic bond] thành phẩm được gọi là "những rào cản ngũ cốc" [grain boundry]
sau đó ta từ từ cẩn thận loại bỏ nhiệt năng từ đáy của nồi nấu: có nhiều cách - một cách là sử dụng một máy nhấc [lift] để di dời chất lỏng đi qua một vùng 'nóng' và 'lạnh' để từ từ làm nguội nó
mặt khác silic đa tinh thể [multi-crystal] rẻ hơn nhiều và dần dần ngành đã xoay xở cắt giảm tỷ lệ khuyết tật, do đó cải thiện hiệu suất của panel trong sản xuất từ 8% năm 1980 đến 18% ngày nay
silic đa tinh thể [multi-crystal] chiếm 60-70% thị phần
Wafer
sau rốt ta tìm cách biến tinh thể thành thoi, làm wafer từ những thoi ấy và làm thành những pin [cell] điện mặt trời và môđun
tinh thể được cắt thành những thoi bằng lưỡi cưa bọc kim cương
những tảng silic đa tinh thể [multi-crystal silicon slab] phần ngoài bị nhiễm bẩn và phải cắt bỏ [chop-off]
máy hiện đại có thể sản xuất 2000-4000 wafer từ một thỏi mỗi lần chạy - mỗi wafer thường dày 200-30 micromet
mục tiêu là làm càng nhiều wafer càng tốt mà tốn ít nhất silic và bột sạn: họ mô hình hoá mọi thứ từ ma sát dây đến những đặc điểm chất sệt trên máy tính
có wafer, ta pha tạp [dope] để tạo thành những rào cản P-N trước khi đóng gói và đặt thành những tấm panel
Tăng trưởng
những năm đầu, ngành sử dụng sản phẩm phụ silic hơi lỗi hơn, từ các công ty wafer bán dẫn, căn bản là đồ bỏ đi của ngành bán dẫn
bấy giờ ok vì ngành điện mặt trời khá nhỏ so với bán dẫn
năm 2000 ngành điện mặt trời sử dụng 3000 tấn silic trong khi ngành bán dẫn sử dụng 17000 tấn
thập niên 2000 châu Âu thông qua chính sách mới ưu ái điện mặt trời và nhu cầu silic ngành điện mặt trời nhanh chóng vượt hơn ngành bán dẫn
bùng nổ buộc ngành thử nghiệm ý tưởng mới: thái những đĩa wafer mỏng đi và tái chế silic bỏ đi
nhưng, được tài trợ châu Âu, ngành silic đa tinh thể [polysilicon] tăng quy mô công suất nhanh quá và nổ bong bóng: gây tụt giá bán
năm 2016 ngành điện mặt trời tiêu thụ 326000 tấn silic hạng điện mặt trời cao gấp 11 lần con số thường niên ngành bán dẫn
Kết
mặc dù vậy, điện mặt trời vẫn chỉ cấp chưa đến 4% tiêu thụ điện toàn cầu
để tăng thị phần, công nghệ pin [cell] mặt trời cần rẻ và hiệu năng hơn: có thể khó vì ngành vật lộn với thiếu đầu tư kinh niên trong khi đang tiếp cận giới hạn của hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời cho silic điện mặt trời
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét