Phát hiện kỹ thuật giám sát pin mặt trời không phá hủy

Các nhà nghiên cứu của UNSW đã phát triển một phương pháp giám sát pin mặt trời ở cấp độ vi mô trong khi chúng đang hoạt động – để khám phá chính xác mức độ hư hại do tia cực tím gây ra có thể được sửa chữa một cách tự nhiên như thế nào.

Phương pháp giám sát mới cho phép các chuyên gia quan sát trực tiếp những thay đổi hóa học bên trong pin mặt trời silicon hiệu suất cao khi chúng xuống cấp khi tiếp xúc với tia cực tím, từ đó được kỳ vọng sẽ giúp phát triển các quá trình có thể giúp tế bào phục hồi bằng ánh sáng mặt trời bình thường.

Nghiên cứu do Giáo sư Khoa học UNSW Sydney Xiaojing Hao dẫn đầu và được công bố trên tạp chí Khoa học Năng lượng & Môi trườngcó thể thay đổi cách thử nghiệm, thiết kế và chứng nhận các tấm pin mặt trời để sử dụng ngoài trời lâu dài.

Hao cho biết: “Phương pháp mới này có thể được sử dụng trực tiếp trên dây chuyền sản xuất để nhanh chóng kiểm tra xem pin mặt trời chống lại tác hại của tia cực tím tốt như thế nào, giúp ích cho việc kiểm soát chất lượng trong quá trình sản xuất trong tương lai”.

Pin mặt trời silicon bị giảm hiệu suất và hiệu suất theo thời gian do tiếp xúc với bức xạ cực tím – được gọi là suy thoái do tia cực tím (UVID).

Một số nghiên cứu trước đây cho thấy sự sụt giảm hiệu suất có thể lên tới 10% sau 2000 giờ tiếp xúc với bức xạ UV trong quá trình thử nghiệm tăng tốc.

Các chuyên gia quang điện từ lâu đã biết rằng pin mặt trời có thể phục hồi một phần hiệu suất bị mất này khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời trong quá trình hoạt động bình thường, nhưng sự phục hồi này chỉ được quan sát dưới dạng sản lượng điện và vẫn còn là một bí ẩn về những gì thực sự xảy ra bên trong vật liệu.

Nếu không có sự hiểu biết đó, thật khó để xác định liệu tổn thất hiệu suất liên quan đến tia cực tím có vĩnh viễn hay không, mức độ nghiêm trọng của chúng và các tiêu chuẩn thử nghiệm hiện tại phản ánh điều kiện thực tế tốt đến mức nào.

Nhóm do UNSW dẫn đầu, bao gồm Tiến sĩ Ziheng Liu, Tiến sĩ Pengfei Zhang và Tiến sĩ Caixia Li, đã giải quyết thách thức này bằng cách phát triển một kỹ thuật giám sát mới, không phá hủy, có thể theo dõi những thay đổi ở cấp độ vật liệu bên trong pin mặt trời đang hoạt động.

Họ đã sử dụng một kỹ thuật gọi là quang phổ Raman tia cực tím để xác định vật liệu bằng cách chiếu tia laser vào nó và phân tích cách ánh sáng tán xạ để phát hiện các dao động phân tử của vật liệu.

Phương pháp này cho phép các nhà nghiên cứu quan sát liên kết hóa học gần bề mặt pin mặt trời khi nó tiếp xúc với tia UV và trong quá trình phục hồi dưới ánh sáng khả kiến. Tại mọi thời điểm, tế bào vẫn còn nguyên vẹn và nó có thể được sử dụng cho các tế bào hoạt động trong điều kiện thực tế.

Liu cho biết: “Kỹ thuật này hoạt động hơi giống một chiếc máy ảnh. Thay vì chỉ đo lượng điện năng mà tế bào tạo ra, chúng ta có thể trực tiếp xem bản thân vật liệu thay đổi như thế nào trong thời gian thực”.

“Thông thường chúng tôi chỉ có thể đo công suất đầu ra. Điều này đã được nhiều người quan sát rồi, nhưng với phương pháp mới này, chúng tôi cũng đang giải thích cơ chế và chúng tôi có thể thấy sự thay đổi ở cấp độ vật chất.”

Trước đây, việc nghiên cứu các quá trình như vậy đòi hỏi phải cắt rời các tế bào hoặc dựa vào các phép đo điện gián tiếp, khiến không thể quan sát được những thay đổi có thể đảo ngược khi chúng xảy ra.

Với phương pháp giám sát mới, các nhà nghiên cứu có thể quan sát những thay đổi hóa học đang diễn ra như thế nào và hiểu rõ hơn cách sửa chữa hư hỏng bằng ánh sáng bình thường.

Ở cấp độ vi mô, tia UV tái cấu trúc các liên kết hóa học nhất định liên quan đến các nguyên tử hydro, silicon và boron gần bề mặt tế bào. Điều này làm suy yếu chất lượng lớp bề mặt và giảm hiệu suất. Lần đầu tiên nhóm nghiên cứu đã có thể quan sát trực tiếp những thay đổi liên kết này.

Sau đó, khi tế bào được tiếp xúc với ánh sáng khả kiến ​​bình thường, các nhà nghiên cứu thấy cấu trúc hóa học trở lại trạng thái ban đầu. Các nguyên tử hydro di chuyển trở lại bề mặt, các liên kết bị đứt được sửa chữa và vật liệu được phục hồi.

Liu, từ Trường Kỹ thuật Quang điện và Năng lượng tái tạo của UNSW, cho biết: “Điều này xác nhận rằng sự phục hồi không chỉ là hiệu ứng điện”. “Bản thân vật liệu đang sửa chữa ở cấp độ nguyên tử.”

Khả năng quan sát trực tiếp những thay đổi vật chất có thể đảo ngược có ý nghĩa lớn đối với ngành năng lượng mặt trời.

Bằng cách tiết lộ chính xác những thay đổi nào là tạm thời và những thay đổi nào là lâu dài, phương pháp giám sát mới cung cấp nền tảng khoa học để cải thiện các thử nghiệm này.

Liu cho biết: “Cách tiếp cận này giúp phân biệt giữa sự suy thoái thực sự lâu dài và những thay đổi có thể đảo ngược”. “Sự khác biệt đó là cần thiết để dự đoán chính xác về cuộc đời.”

Ngoài những hiểu biết khoa học, kỹ thuật giám sát còn mang lại những lợi ích thiết thực.

Các thử nghiệm phân hủy UV truyền thống có thể mất vài ngày hoặc vài tuần và thường yêu cầu phân tích phá hủy. Ngược lại, phương pháp dựa trên Raman có thể phát hiện độ nhạy tia cực tím trong vài giây trong khi vẫn giữ nguyên pin mặt trời.

Tốc độ và tính chân thực này khiến nó phù hợp để sử dụng trong quá trình sản xuất, nơi phản hồi nhanh là rất quan trọng. Các nhà nghiên cứu cho biết phương pháp này có thể được sử dụng để sàng lọc các vật liệu mới, điều kiện xử lý hoặc thay đổi thiết kế trước khi tế bào được tích hợp thành các tấm pin mặt trời hoàn chỉnh.

Trong tương lai, nó thậm chí có thể được điều chỉnh để kiểm soát chất lượng trong dây chuyền, cho phép các nhà sản xuất xác định sớm các vấn đề tiềm ẩn liên quan đến tia cực tím trong quá trình sản xuất.

Phương pháp giám sát cũng giúp giải thích tại sao một số pin mặt trời xuống cấp nhiều hơn những loại khác.

Bằng cách quan sát trực tiếp những thay đổi ở cấp độ vật liệu, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra các lựa chọn thiết kế như độ dày lớp thụ động hoặc đặc tính lớp phủ bề mặt có thể ảnh hưởng đến cách hydro di chuyển trong quá trình tiếp xúc và phục hồi tia cực tím. Kiến thức này sẽ cho phép các nhà sản xuất đưa ra sự cân bằng sáng suốt giữa hiệu suất, độ bền và chi phí cao nhất.

Điều quan trọng là nghiên cứu – được hỗ trợ bởi Trung tâm nghiên cứu ARC về tái chế và bền vững tấm pin mặt trời quang điện (PVRS) – cho thấy rằng pin mặt trời tạm thời xuống cấp nhưng sau đó phục hồi có thể thực sự hoạt động tốt hơn một thiết kế đắt tiền hơn về cơ bản có khả năng chống tia cực tím cao hơn trong suốt vòng đời của nó.

“Công trình này cho chúng ta một bức tranh rõ ràng hơn về cách hoạt động của pin mặt trời trong thế giới thực”, Hao nói. “Với các công cụ giám sát tốt hơn, chúng tôi có thể thiết kế các thử nghiệm tốt hơn, các tấm pin tốt hơn và cuối cùng là các hệ thống năng lượng mặt trời đáng tin cậy hơn”.

Nguồn hình ảnh: iStock.com/Teerapong Kunkaeo