In pin bằng mực — tinh thể vô danh đang viết lại năng lượng

Cái bóng xanh trên mái tôn hàng xóm

Tôi nhớ lần đầu để ý tấm pin mặt trời ở Việt Nam. Khoảng 2019, nhà hàng xóm trong hẻm quận Bình Thạnh lắp mấy tấm xanh đen lên mái tôn. Ông chú kế bên vỗ vai: "Mày biết cái đó làm từ gì không? Cát. Cát nấu chảy ra." Nghe đơn giản vậy thôi. Nhưng để biến cát thành tấm pin silicon, người ta phải nung ở hơn 1.400 độ C, trong lò chân không, qua hàng chục công đoạn tinh chế. Mỗi tấm nặng cỡ 20 ký. Cứng ngắc. Đắt.

Bây giờ hình dung khác đi: bạn hòa tan một thứ bột vào dung môi, quét lên mặt kính — y chang sơn tường — rồi để khô. Xong. Lớp sơn đó biến ánh nắng thành điện. Không lò nung ngàn độ, không nhà máy tỷ đô.

Nghe như phim. Nhưng vật liệu đó có thật. Nó tên perovskite. Và câu chuyện về cách nó từ một khoáng vật bị quên lãng gần hai thế kỷ trở thành ứng viên sáng giá nhất thay thế silicon — câu chuyện đó khiến tôi nổi da gà thật sự.

Khoáng vật nằm trong hộc tủ 180 năm

Năm 1839, nhà khoáng vật học người Đức Gustav Rose đào được một tinh thể lạ trong dãy núi Ural, nước Nga. Ông đặt tên nó theo bá tước Lev Perovski — một nhà sưu tập khoáng vật nổi tiếng thời đó. Tinh thể canxi titanat ấy (CaTiO₃) được ghi vào sổ, xếp lên kệ bảo tàng, rồi... nằm yên. Gần hai trăm năm, chẳng ai nghĩ nó liên quan gì đến năng lượng.

Cái tên "perovskite" về sau không chỉ để gọi riêng khoáng vật gốc nữa. Các nhà khoa học dùng nó cho bất kỳ vật liệu nào có cùng cấu trúc tinh thể đặc biệt: ABX₃. Hình dung một cái hộp rubik ba tầng — ba loại nguyên tử xếp vào ba vị trí cố định, gọn gàng, đều đặn. Khi người ta thử nhét các nguyên tố khác nhau vào cái hộp rubik ấy — chì vào đây, iốt vào kia, thêm chút hợp chất hữu cơ — họ phát hiện một số tổ hợp hấp thụ ánh sáng cực kỳ tốt. Như một tấm bọt biển khổng lồ cho photon vậy.

Năm 2009, giáo sư Tsutomu Miyasaka ở Đại học Toin Yokohama, Nhật Bản, làm một thí nghiệm mà gần như chẳng ai để ý. Ông lấy perovskite halogenua chì (methylammonium lead iodide) phủ lên một cell pin mặt trời bé xíu, cỡ móng tay. Hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành điện: khoảng 3,8%. Tệ. Và tệ hơn nữa — cell đó tan rã trong vài phút vì chất điện phân lỏng ăn mòn perovskite ngay trước mắt. Bài báo đăng trên Journal of the American Chemical Society (2009), nhận vài trích dẫn lác đác. Thế thôi.

Nhưng ba năm sau, mọi thứ bùng nổ.

Henry Snaith ở Đại học Oxford cùng đồng nghiệp nghĩ ra cách thay chất lỏng bằng chất dẫn rắn. Hình dung: thay vì ngâm tấm bọt biển trong nước (rồi nó mục), họ bọc nó trong nhựa cứng. Cell perovskite thể rắn đạt 10,9% hiệu suất — và không tự hủy. Bài báo đăng trên Science (tháng 11, 2012). Gần như đồng thời, giáo sư Nam-Gyu Park ở Đại học Sungkyunkwan, Hàn Quốc, công bố kết quả tương tự. Cộng đồng năng lượng toàn cầu bừng tỉnh.

Từ đó, cuộc đua bắt đầu.

Cánh cửa mà silicon không mở nổi

Để hiểu vì sao giới khoa học phát sốt, bạn cần biết silicon — "ông vua" pin mặt trời suốt 70 năm — đang đụng trần ở đâu.

Pin silicon thương mại bán ngoài chợ đạt khoảng 22-24% hiệu suất. Kỷ lục phòng thí nghiệm cho silicon đơn tinh thể là khoảng 26,8% (theo bảng hiệu suất NREL, tính đến 2024). Nhưng vật lý có một giới hạn lý thuyết gọi là giới hạn Shockley-Queisser — nôm na là với một lớp vật liệu duy nhất, bạn tối đa chỉ chuyển được khoảng 33% ánh sáng thành điện, bất kể vật liệu đó hoàn hảo cỡ nào. Silicon đã gần chạm trần. Muốn cao hơn, phải chồng thêm lớp vật liệu khác lên trên. Mà silicon rất khó chơi chung vì quy trình sản xuất quá khắt khe — nung cả ngàn độ, cắt wafer mỏng tang.

Perovskite thì sao? Từ 3,8% năm 2009 lên hơn 26% vào khoảng 2023-2024 cho cell đơn lớp (kỷ lục NREL). Tốc độ tăng hiệu suất nhanh nhất trong lịch sử công nghệ quang điện. Nhanh hơn silicon mấy lần — silicon mất gần 40 năm để đi từ 6% (Bell Labs, 1954) lên 20%. Perovskite chạy quãng đường tương đương trong chưa đầy 15 năm.

Nhưng hay nhất là điều này: perovskite rất dễ xếp chồng lên silicon. Bạn giữ nguyên tấm pin silicon đang có, phủ thêm một lớp perovskite mỏng lên trên. Lớp trên "ăn" ánh sáng xanh, tím — phần mà silicon hấp thụ kém. Silicon lo phần đỏ và hồng ngoại. Bộ đôi hoàn hảo. Cell tandem perovskite-silicon đã đạt khoảng 33,9% hiệu suất — kỷ lục do LONGi Green Energy thiết lập và được NREL chứng nhận (2023). Vượt xa bất kỳ cell silicon đơn nào từng tồn tại.

Nói cách khác: perovskite không cần lật đổ silicon. Nó cưỡi lên lưng silicon.

Từ mái tôn Sài Gòn đến cửa kính cao ốc

Perovskite không chỉ hiệu suất cao. Nó mở ra những hình dạng pin mặt trời mà silicon không bao giờ làm nổi.

Pin trong suốt. Perovskite có thể được tinh chỉnh để hấp thụ tia cực tím và hồng ngoại nhưng cho ánh sáng nhìn thấy đi qua. Tưởng tượng: cửa kính văn phòng Landmark 81 vừa lấy sáng vừa phát điện. Các nhóm ở EPFL (Thụy Sĩ) và Đại học Michigan đã chứng minh khả năng này ở quy mô phòng thí nghiệm — đây là công nghệ đang thử nghiệm, chưa thương mại rộng.

Pin dẻo, nhẹ. Vì perovskite phủ được lên nền nhựa dẻo, bạn có thể cuộn pin lại như tờ báo. Dán lên mái tôn cong, ba lô du lịch, nóc xe tải. Ở Việt Nam — nơi mái tôn chiếm phần lớn mái nhà dân — pin dẻo nhẹ là chuyện lớn, vì rất nhiều mái tôn không chịu nổi 20 ký của panel silicon truyền thống.

Điện mặt trời giá rẻ cho nông thôn. Quy trình perovskite không cần lò nung ngàn độ, có tiềm năng rẻ hơn silicon đáng kể. Nếu thương mại hóa thành công, nó có thể đưa điện mặt trời đến vùng sâu vùng xa ở Đông Nam Á, châu Phi — nơi chi phí hiện tại là rào cản lớn nhất.

Pin trong nhà, pin cho vạn vật. Perovskite hoạt động khá tốt dưới ánh sáng yếu — đèn huỳnh quang, LED văn phòng — nên có thể cấp nguồn cho cảm biến IoT, đồng hồ thông minh, sensor nông nghiệp mà không cần thay pin lithium.

Phủ lên xe điện. Toyota và một số hãng ô tô đang thử nghiệm phủ perovskite lên nóc và capô xe để bổ sung điện khi đỗ ngoài trời. Chưa thương mại, nhưng hướng đi rất rõ.

Khi ánh nắng thành tiền

Thị trường pin mặt trời toàn cầu ước đạt khoảng 200 tỷ USD mỗi năm (BloombergNEF, 2023). Perovskite đang ở đúng giao điểm giữa phòng thí nghiệm và nhà máy — giai đoạn mà cơ hội dành cho người đến sớm.

Oxford PV — công ty do chính Henry Snaith đồng sáng lập — đã khởi động dây chuyền sản xuất cell tandem perovskite-silicon tại Brandenburg, Đức. Nhiều công ty Trung Quốc, Hàn Quốc đang chạy đua. Ở Việt Nam, nơi đã có hệ sinh thái sản xuất panel solar OEM cho các hãng lớn, perovskite có thể tạo ra một làn sóng mới.

Một nhắc tỉnh táo: perovskite thương mại đại trà vẫn đang ở giai đoạn đầu. Độ bền chưa đạt chuẩn 25 năm như silicon. Người đi sớm có thể lời lớn, nhưng cũng chịu rủi ro nếu công nghệ chưa chín muồi.

Bước nhảy — và cái giá phải trả

Nếu perovskite được thương mại hóa thành công, tác động lên cuộc chiến khí hậu là khổng lồ. Năng lượng mặt trời hiện đã là nguồn phát điện mới rẻ nhất ở phần lớn thế giới (IEA World Energy Outlook, 2023). Perovskite có thể kéo chi phí xuống thấp hơn nữa, đồng thời mở ra những bề mặt thu năng lượng mà silicon không chạm tới — cửa kính, tường nhà, xe cộ, thậm chí vải quần áo. Nhân loại sẽ không chỉ lắp pin mặt trời nữa, mà sơn nó lên mọi thứ.

Nhưng hai rủi ro cần nhìn thẳng.

Chì. Perovskite hiệu suất cao nhất hiện nay chứa chì — kim loại nặng gây hại thần kinh. Lượng chì trong một cell nhỏ hơn nhiều so với cục ắc quy xe máy, nhưng nếu sản xuất hàng tỷ tấm pin, chuyện tích tụ và xử lý cuối đời không phải chuyện nhỏ. Nhiều nhóm đang nghiên cứu thay chì bằng thiếc (tin-based perovskite), nhưng hiệu suất còn thấp hơn đáng kể. Đây là bài toán đã nhận diện, chưa giải xong.

Độ bền. Pin silicon thương mại bảo hành 25-30 năm. Pin perovskite thời Miyasaka hỏng sau vài phút. Đến nay, kỹ thuật đóng gói (encapsulation) và cải tiến thành phần hóa học đã nâng tuổi thọ lên rất nhiều. Nhưng đơn giản là — công nghệ chưa đủ tuổi để có dữ liệu ngoài trời 25 năm. Không ai biết chắc. Và đó là bài toán lớn nhất.

Dù vậy, hướng đi đã rõ. Cell tandem perovskite-silicon có thể là hình dạng cuối cùng của pin mặt trời trong thập kỷ tới — giải bài hiệu suất trước, rồi dần giải bài độ bền. Nếu cả hai bài được giải, nhân loại sẽ cầm trong tay công cụ mạnh nhất từ trước đến nay để cắt phát thải carbon từ ngành điện. Và ngành điện, xin nhắc, chiếm khoảng một phần tư tổng phát thải khí nhà kính toàn cầu.

Một khoáng vật bị quên 180 năm. Một bài báo bị bỏ qua năm 2009. Và bây giờ — có thể — là chìa khóa cho cả hành tinh.

Bảng tự chấm & Nguồn tham khảo

Nguồn tham khảo:

1. Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y. & Miyasaka, T. (2009). "Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells." Journal of the American Chemical Society, 131(17), 6050–6051.

2. Lee, M. M., Teuscher, J., Miyasaka, T., Murakami, T. N. & Snaith, H. J. (2012). "Efficient Hybrid Solar Cells Based on Meso-Superstructured Organometal Halide Perovskites." Science, 338(6107), 643–647.

3. NREL Best Research-Cell Efficiency Chart (cập nhật liên tục). National Renewable Energy Laboratory, Hoa Kỳ.

4. IEA World Energy Outlook 2023. International Energy Agency.

5. BloombergNEF Global Solar Market Outlook, 2023.

6. Oxford PV — thông tin tiến độ thương mại hóa (oxfordpv.com).