Sự ra đời của Pin Mặt trời silic

Hình minh họa

Để tìm hiểu pin Mặt trời, chúng ta quay trở lại với một quan sát ban đầu về hiệu ứng quang điện năm 1839. Nhà vật lý người Pháp Alexandre-Edmond Becquerel [con trai của nhà vật lý Antoine Cesar Becquerel và cha của nhà vật lý Henri Becquerel] trong lúc đang làm việc với các điện cực kim loại trong dung dịch điện phân thì ông nhận thấy sự xuất hiện của dòng điện yếu nếu các kim loại tiếp xúc với ánh sáng. Tuy nhiên, ông không thể giải thích hiện tượng trên.

Vài thập kỷ sau, kỹ sư người Anh Willoughby Smith phát hiện tính quang dẫn của selen (Se) khi thử nghiệm các vật liệu cho dây cáp điện báo dưới nước vào năm 1873. Đến năm 1883, nhà phát minh người Mỹ Charles Fritts chế tạo pin Mặt trời đầu tiên làm từ selen. Fritts hy vọng pin năng lượng Mặt trời của ông có thể cạnh tranh với các nhà máy điện chạy bằng than của Thomas Edison. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi ánh sáng Mặt trời thành điện của chúng thấp hơn 1% nên tính ứng dụng thực tế không cao. Những nghiên cứu về hiệu ứng quang điện của selen tiếp tục diễn ra trong nhiều năm sau đó và các nhà khoa học cũng tìm ra một số ứng dụng cụ thể, nhưng chúng đều không được sử dụng rộng rãi.

Năm 1940, Russell Shoemaker Ohl, nhà nghiên cứu chất bán dẫn tại Bell Labs, đã có những khám phá mới là tiền đề để chế tạo pin Mặt trời silic. Khi nghiên cứu một số mẫu tinh thể silic, ông nhận thấy một mẫu đặc biệt có vết nứt ở chính giữa. Điều thú vị là dòng điện có thể chạy qua mẫu vật này khi nó tiếp xúc với ánh sáng. Vết nứt đánh dấu ranh giới giữa hai vùng tinh thể silic chứa mức độ tạp chất khác nhau và chúng tích điện trái dấu. Ohl đã vô tình tạo ra một lớp chuyển tiếp p – n, nền tảng của tế bào quang điện được sử dụng rộng rãi ngày nay. Điện tích dương dư thừa tích tụ ở một bên của lớp chuyển tiếp p – n và điện tích âm dư thừa tích tụ ở bên còn lại tạo ra điện trường. Khi tinh thể silic kết nối với mạch điện kín, photon ánh sáng chiếu vào nó có thể đánh bật các electron trong mạng tinh thể để tạo ra dòng điện [dòng chuyển dịch có hướng của các hạt mang điện].

Tuy nhiên, tế bào quang điện silic có tính ứng dụng thực tế chỉ được tạo ra 13 năm sau đó bởi một nhóm các nhà khoa học làm việc ở Bell Labs.

Năm 1953, Daryl Chapin – kỹ sư nghiên cứu về các vật liệu từ tính tại Bell Labs – cố gắng phát triển một nguồn cấp điện cho hệ thống điện thoại ở những khu vực hẻo lánh có khí hậu ẩm ướt, nơi những cục pin khô lưu trữ điện bị xuống cấp quá nhanh. Trong khi Chapin tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế, ông tin rằng điện Mặt trời là một trong những nguồn năng lượng hứa hẹn nhất. Ông đã tiến hành thử nghiệm pin Mặt trời selen, nhưng thấy chúng hoạt động kém hiệu quả.

Cùng lúc đó, nhà hóa học Calvin Fuller và nhà vật lý Gerald Pearson đang nghiên cứu cách kiểm soát các đặc tính của chất bán dẫn bằng cách pha trộn nó với tạp chất. Fuller đưa cho Pearson một tấm silic chứa tạp chất gali (Ga). Sự có mặt của gali làm cho tấm silic tích sẵn điện dương. Khi Pearson nhúng tấm silic trong bể chứa liti (Li) nóng chảy, ông nhận thấy phần silic ngập trong liti sẽ tích điện âm. Vị trí tiếp giáp giữa phần tích điện âm và phần tích điện dương chính là lớp chuyển tiếp p – n. Pearson nối tấm silic với một ampe kế và chiếu ánh sáng vào bề mặt của nó. Số chỉ của ampe kế tăng vọt khiến hai nhà khoa học vô cùng ngạc nhiên.

Với phát hiện này, Pearson khuyên Chapin đừng lãng phí thời gian cho pin Mặt trời selen, thay vào đó hãy chuyển sang sử dụng vật liệu silic. Cả ba nhà khoa học mất nhiều tháng thử nghiệm để chế tạo và cải thiện năng suất hoạt động của tế bào quang điện silic. Cuối cùng, họ pha lẫn silic với tạp chất arsen (As) nhằm tạo ra chất bán dẫn loại n [hạt tải điện trong bán dẫn loại n chủ yếu là electron], và pha lẫn silic với tạp chất Bo (B) để tạo ra chất bán dẫn loại p [hạt tải điện trong bán dẫn loại p chủ yếu là lỗ trống]. Khi ghép hai lớp chất bán dẫn loại n và p nói trên, nhóm nghiên cứu khéo léo sắp xếp sao cho lớp chuyển tiếp p – n nằm gần bề mặt của tế bào quang điện, giúp nó nhận được nhiều photon ánh sáng hơn. Sau khi thực hiện một số cải tiến cho thiết kế này, họ liên kết các tế bào quang điện silic với nhau nhằm tạo ra tấm pin năng lượng Mặt trời silic kích thước lớn.

Nhóm nghiên cứu tại Bell Labs công bố sáng chế pin Mặt trời silic vào ngày 25/4/1954. Họ biểu diễn trước công chúng bằng cách dùng pin năng lượng Mặt trời silic cung cấp điện cho một chiếc đu quay đồ chơi đường kính 50 cm và một máy phát vô tuyến điện.

Những tấm pin Mặt trời silic đầu tiên của Bell Labs đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng ánh sáng Mặt trời thành điện năng khoảng 6%. Đây là sự tiến bộ lớn so với bất kỳ loại pin Mặt trời nào khác được chế tạo trước đó.

Tờ New York Times viết rằng, pin Mặt trời silic ra đời đánh dấu sự khởi đầu của một kỷ nguyên mới, cuối cùng sẽ dẫn đến việc thực hiện một trong những giấc mơ lớn nhất của con người – đó là việc khai thác năng lượng gần như vô hạn của Mặt trời để sử dụng cho nền văn minh nhân loại.

Thời gian đầu, quá trình sản xuất pin Mặt trời silic rất tốn kém nên các nỗ lực thương mại hóa nó không thành công như mong đợi. Tuy nhiên, Chapin nhanh chóng khắc phục vấn đề này. Ông đã tìm ra cách đơn giản hóa quá trình sản xuất pin Mặt trời silic, thậm chí ông còn nghĩ ra một thí nghiệm khoa học đơn giản về pin Mặt trời cho học sinh trung học. Năm 2008, ba nhà khoa học Chapin, Fuller và Pearson vinh dự được đưa ghi tên vào Hội trường Danh vọng Các nhà phát minh Quốc gia Mỹ (NIHF).

Ngày nay, pin Mặt trời được sử dụng khá phổ biến, từ việc cung cấp năng lượng cho các vệ tinh, ôtô, máy bay, tàu vũ trụ,…cho đến những tấm pin Mặt trời lắp đặt trên mái nhà để cấp điện cho từng hộ gia đình. Những thiết kế mới và vật liệu tiên tiến đã giúp pin Mặt trời đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện trên 40%. Nhưng không dừng lại ở đó, các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu, phát triển những tấm pin Mặt trời hiện đại hơn với mục tiêu giảm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu quả hoạt động, làm tăng khả năng cạnh tranh của năng lượng Mặt trời so với nhiên liệu hóa thạch.