Hầu hết các tấm pin mặt trời bao phủ các mái nhà, cánh đồng và sa mạc trên thế giới ngày nay đều có chung một thành phần: silicon tinh thể. Vật liệu này được làm từ polysilicon thô, được tạo hình thành các tấm bán dẫn và nối vào pin mặt trời, thiết bị chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Gần đây, sự phụ thuộc của ngành vào công nghệ đơn lẻ này đã trở thành một trách nhiệm pháp lý. Điểm nghẽn của chuỗi cung ứngđang chậm lạilắp đặt năng lượng mặt trời mới trên toàn thế giới. Các nhà cung cấp polysilicon chính ở khu vực Tân Cương của Trung Quốc —bị buộc tội sử dụng lao động cưỡng bức từ người Duy Ngô Nhĩ- đang phải đối mặt với lệnh trừng phạt thương mại của Mỹ.
May mắn thay, silicon tinh thể không phải là vật liệu duy nhất có thể giúp khai thác năng lượng mặt trời. Tại Hoa Kỳ, các nhà khoa học và nhà sản xuất đang nỗ lực mở rộng sản xuất công nghệ năng lượng mặt trời cadmium Telluride. Cadmium Telluride là một loại pin mặt trời “màng mỏng”, và đúng như tên gọi, nó mỏng hơn nhiều so với pin silicon truyền thống. Ngày nay, các tấm sử dụng cadmium Telluridecung cấp khoảng 40 phần trămcủa thị trường quy mô tiện ích của Hoa Kỳ và khoảng 5% thị trường năng lượng mặt trời toàn cầu. Và họ sẽ được hưởng lợi từ những trở ngại mà ngành công nghiệp năng lượng mặt trời nói chung phải đối mặt.
Kelsey Goss, nhà phân tích nghiên cứu năng lượng mặt trời của tập đoàn tư vấn năng lượng Wood Mackenzie, cho biết: “Đây là thời điểm rất biến động, đặc biệt là đối với chuỗi cung ứng silicon tinh thể nói chung. “Có tiềm năng lớn để các nhà sản xuất cadmium Telluride giành được nhiều thị phần hơn trong năm tới.” Bà lưu ý đặc biệt là vì lĩnh vực cadmium Telluride đã được mở rộng quy mô.
Vào tháng 6, nhà sản xuất năng lượng mặt trời First Solar cho biết họ sẽđầu tư 680 triệu USDtại nhà máy năng lượng mặt trời cadmium Telluride thứ ba ở phía tây bắc Ohio. Khi cơ sở này hoàn thành, vào năm 2025, công ty sẽ có thể sản xuất các tấm pin mặt trời trị giá 6 gigawatt trong khu vực. Lượng năng lượng đó đủ để cung cấp năng lượng cho khoảng 1 triệu ngôi nhà ở Mỹ. Một công ty năng lượng mặt trời khác có trụ sở tại Ohio, Toledo Solar, gần đây đã tham gia thị trường và đang sản xuất tấm cadmium Telluride cho mái nhà dân cư. Và vào tháng 6, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia, hay NREL,triển khai chương trình trị giá 20 triệu USDđể đẩy nhanh quá trình nghiên cứu và phát triển chuỗi cung ứng cadmium Telluride. Một trong những mục tiêu của chương trình là giúp bảo vệ thị trường năng lượng mặt trời của Hoa Kỳ khỏi những hạn chế về nguồn cung toàn cầu.
Các nhà nghiên cứu tại NREL và First Solar, trước đây gọi là Solar Cell Inc., đã làm việc cùng nhau từ đầu những năm 1990 để phát triểncông nghệ cadmium Telluride. Cadmium và Telluride lần lượt là sản phẩm phụ của quá trình nấu chảy quặng kẽm và luyện đồng. Trong khi các tấm silicon được nối với nhau để tạo thành tế bào thì cadmium và Telluride được phủ dưới dạng một lớp mỏng – khoảng 1/10 đường kính sợi tóc người – lên một tấm kính, cùng với các vật liệu dẫn điện khác. First Solar, hiện là nhà sản xuất màng mỏng lớn nhất thế giới, đã cung cấp các tấm pin cho việc lắp đặt năng lượng mặt trời ở 45 quốc gia.
Nhà khoa học Lorelle Mansfield của NREL cho biết công nghệ này có những ưu điểm nhất định so với silicon tinh thể. Ví dụ, quy trình màng mỏng đòi hỏi ít vật liệu hơn so với phương pháp dựa trên tấm bán dẫn. Công nghệ màng mỏng cũng rất phù hợp để sử dụng trong các tấm linh hoạt, như tấm che ba lô hoặc máy bay không người lái hoặc được tích hợp vào mặt tiền và cửa sổ của tòa nhà. Điều quan trọng là các tấm màng mỏng hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ nóng, trong khi các tấm silicon có thể quá nóng và trở nên kém hiệu quả hơn trong việc tạo ra điện, bà nói.
Nhưng silicon tinh thể chiếm ưu thế trong các lĩnh vực khác, chẳng hạn như hiệu suất trung bình của chúng - nghĩa là tỷ lệ phần trăm ánh sáng mặt trời mà các tấm pin hấp thụ và chuyển đổi thành điện năng. Trong lịch sử, các tấm silicon có hiệu suất cao hơn công nghệ cadmium Telluride, mặc dù khoảng cách đang được thu hẹp. Các tấm silicon được sản xuất công nghiệp ngày nay có thể đạt được hiệu suất gấp nhiều lần.18 đến 22 phần trăm, trong khi First Solar báo cáo hiệu suất trung bình của các tấm pin thương mại mới nhất là 18%.
Tuy nhiên, lý do chính khiến silicon thống trị thị trường toàn cầu tương đối đơn giản. Goss nói: “Tất cả đều liên quan đến chi phí. “Thị trường năng lượng mặt trời có xu hướng được thúc đẩy bởi công nghệ rẻ nhất.”
Bà nói, silicon tinh thể có giá khoảng 0,24 đến 0,25 USD để sản xuất mỗi watt năng lượng mặt trời, thấp hơn so với các đối thủ khác. First Solar cho biết họ không còn báo cáo chi phí mỗi watt để sản xuất tấm cadmium Telluride nữa, chỉ có điều chi phí đó đã “giảm đáng kể” kể từ năm 2015 – khi công tychi phí được báo cáo là 0,46 USD mỗi watt- và tiếp tục giảm hàng năm. Có một vài lý do giải thích cho sự rẻ tiền tương đối của silicon. Polysilicon nguyên liệu thô, cũng được sử dụng trong máy tính và điện thoại thông minh, có sẵn rộng rãi hơn và rẻ hơn nguồn cung cấp cadmium và Telluride. Khi các nhà máy sản xuất tấm silicon và các bộ phận liên quan mở rộng quy mô, tổng chi phí sản xuất và lắp đặt công nghệ đã giảm. Chính phủ Trung Quốc cũng đã mạnh tayđược hỗ trợ và trợ cấpngành năng lượng mặt trời silicon của đất nước - nhiều đến mứckhoảng 80 phần trămchuỗi cung ứng sản xuất năng lượng mặt trời của thế giới hiện chạy qua Trung Quốc.
Chi phí tấm pin giảm đã thúc đẩy sự bùng nổ năng lượng mặt trời toàn cầu. Trong thập kỷ qua, tổng công suất năng lượng mặt trời lắp đặt trên thế giới đã tăng gần gấp 10 lần, từ khoảng 74.000 MW năm 2011 lên gần 714.000 MW vào năm 2020.theoCơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế. Hoa Kỳ chiếm khoảng 1/7 tổng sản lượng của thế giới và năng lượng mặt trời hiện naymột trong những nguồn lớn nhấtcông suất điện mới được lắp đặt ở Mỹ mỗi năm.
Chi phí cho mỗi watt của cadmium Telluride và các công nghệ màng mỏng khác cũng dự kiến sẽ giảm tương tự khi mở rộng sản xuất. (Năng lượng mặt trời đầu tiên nóirằng khi cơ sở mới ở Ohio mở cửa, công ty sẽ cung cấp chi phí mỗi watt thấp nhất trên toàn bộ thị trường năng lượng mặt trời.) Nhưng chi phí không phải là thước đo duy nhất quan trọng, vì các vấn đề về chuỗi cung ứng hiện tại của ngành và những lo ngại về lao động đã rõ ràng.
Mark Widmar, Giám đốc điều hành của First Solar, cho biết kế hoạch mở rộng trị giá 680 triệu USD của công ty là một phần trong nỗ lực lớn hơn nhằm xây dựng chuỗi cung ứng tự cung tự cấp và “tách rời” ngành công nghiệp năng lượng mặt trời của Hoa Kỳ khỏi Trung Quốc. Mặc dù các tấm cadmium Telluride không sử dụng bất kỳ polysilicon nào, nhưng First Solar vẫn nhận thấy những thách thức khác mà ngành phải đối mặt, chẳng hạn như tồn đọng do đại dịch gây ra trong ngành vận tải biển. Vào tháng 4, First Solar nói với các nhà đầu tư rằng tình trạng tắc nghẽn tại các cảng của Mỹ đang cản trở các chuyến hàng bảng điều khiển từ các cơ sở của họ ở châu Á. Widmar cho biết việc tăng cường sản xuất tại Mỹ sẽ cho phép công ty sử dụng đường bộ và đường sắt để vận chuyển các tấm pin của mình chứ không phải tàu chở hàng. Và chương trình tái chế các tấm pin mặt trời hiện tại của công ty cho phép công ty tái sử dụng vật liệu nhiều lần, giảm hơn nữa sự phụ thuộc vào chuỗi cung ứng và nguyên liệu thô nước ngoài.
Khi First Solar sản xuất tấm pin, các nhà khoa học ở cả công ty và NREL tiếp tục thử nghiệm và cải tiến công nghệ cadmium Telluride. Năm 2019, các đối tácđã phát triển một cách tiếp cận mớiliên quan đến việc “pha tạp” các vật liệu màng mỏng bằng đồng và clo để đạt được hiệu suất cao hơn nữa. Đầu tháng này, NRELcông bố kết quảcủa cuộc thử nghiệm thực địa kéo dài 25 năm tại cơ sở ngoài trời ở Golden, Colorado. Một dãy 12 tấm cadmium Telluride đã hoạt động với hiệu suất 88% so với ban đầu, một kết quả tuyệt vời đối với một tấm pin đã không được sử dụng trong hơn hai thập kỷ. Theo bản phát hành NREL, sự xuống cấp “phù hợp với những gì hệ thống silicon làm”.
Mansfield, nhà khoa học của NREL, cho biết mục tiêu không phải là thay thế silicon tinh thể bằng cadmium Telluride hay thiết lập một công nghệ vượt trội hơn công nghệ kia. Cô nói: “Tôi nghĩ rằng có một nơi dành cho tất cả chúng trên thị trường và mỗi chúng đều có ứng dụng riêng. “Chúng tôi muốn tất cả năng lượng đều được chuyển sang các nguồn tái tạo, vì vậy chúng tôi thực sự cần tất cả các loại công nghệ khác nhau này để đáp ứng thách thức đó”.
Thời gian đăng: 17-09-2021