Hầu hết các tấm pin mặt trời phủ trên 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 định hình thành các tấm wafer và được nối vào các tế bào năng lượng mặt trời, các thiết bị chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện. Gần đây, sự phụ thuộc của ngành công nghiệp vào công nghệ đơn lẻ này đã trở thành một gánh nặng. Các nút thắt của chuỗi cung ứngđang chậm lạilắp đặt năng lượng mặt trời mới trên toàn thế giới. Các nhà cung cấp polysilicon lớn tại khu vực Tân Cương của Trung Quốc —bị cáo buộc sử dụng lao động cưỡng bức từ người Duy Ngô Nhĩ— đang phải đối mặt với lệnh trừng phạt thương mại của Hoa Kỳ.
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 như tên gọi của nó, nó mỏng hơn nhiều so với pin silicon thông thường. Ngày nay, các tấm pin sử dụng cadmium telluridecung cấp khoảng 40 phần trămcủa thị trường tiện ích quy mô lớn của Hoa Kỳ và khoảng 5 phần trăm thị trường năng lượng mặt trời toàn cầu. Và họ sẽ được hưởng lợi từ những khó khăn mà ngành công nghiệp năng lượng mặt trời nói chung đang phải đối mặt.
“Đây là thời điểm rất bất ổn, đặc biệt là đối với chuỗi cung ứng silicon tinh thể nói chung”, Kelsey Goss, một nhà phân tích nghiên cứu năng lượng mặt trời cho nhóm tư vấn năng lượng Wood Mackenzie cho biết. “Các nhà sản xuất cadmium telluride có tiềm năng lớn để chiếm thêm thị phần trong năm tới”. Bà đặc biệt lưu ý rằng, vì lĩnh vực cadmium telluride đã và đang mở rộng quy mô.
Vào tháng 6, nhà sản xuất năng lượng mặt trời First Solar cho biết họ sẽđầu tư 680 triệu đô latrong 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 6 gigawatt tấm pin mặt trời trong khu vực. Đủ để cung cấp điện 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 pin cadmium telluride cho mái nhà dân dụng. Và vào tháng 6, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia, hay NREL,đã khởi động một chương trình trị giá 20 triệu đô lađể đẩy nhanh nghiên cứu và phát triển chuỗi cung ứng cho cadmium telluride. Một trong những mục tiêu của chương trình là giúp cách ly thị trường năng lượng mặt trời 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 hợp tác với nhau từ đầu những năm 1990 để phát triểncông nghệ cadmium telluride. Cadmium và telluride là sản phẩm phụ của quá trình nấu chảy quặng kẽm và tinh chế đồng. Trong khi các tấm wafer silicon được nối với nhau để tạo thành các ô, cadmium và telluride được phủ dưới dạng một lớp mỏng — khoảng một phần mười đường kính của một 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 các công trình lắp đặt năng lượng mặt trời tại 45 quốc gia.
Nhà khoa học Lorelle Mansfield của NREL cho biết công nghệ này có một số ưu điểm so với silicon tinh thể. Ví dụ, quy trình màng mỏng đòi hỏi ít vật liệu hơn so với phương pháp dựa trên wafer. Công nghệ màng mỏng cũng rất phù hợp để sử dụng trong các tấm linh hoạt, như các 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 cao, trong khi các tấm silicon có thể quá nóng và trở nên kém hiệu quả hơn trong việc tạo ra điện, bà cho biết.
Nhưng silicon tinh thể có ưu thế hơn ở các lĩnh vực khác, chẳng hạn như hiệu suất trung bình của chúng — nghĩa là tỷ lệ ánh sáng mặt trời mà các tấm pin hấp thụ và chuyển đổi thành điện. Theo truyền thống, các tấm pin silicon có hiệu suất cao hơn công nghệ cadmium telluride, mặc dù khoảng cách đang thu hẹp. Các tấm pin silicon được sản xuất công nghiệp ngày nay có thể đạt hiệu suất18 đến 22 phần trămtrong khi First Solar báo cáo hiệu suất trung bình là 18 phần trăm cho các tấm pin thương mại mới nhất của mình.
Tuy nhiên, lý do chính khiến silicon thống trị thị trường toàn cầu lại khá đơn giản. “Tất cả đều phụ thuộc vào chi phí”, Goss cho biết. “Thị trường năng lượng mặt trời có xu hướng bị chi phối mạnh mẽ bởi công nghệ rẻ nhất”.
Bà cho biết chi phí sản xuất mỗi watt điện mặt trời bằng silicon tinh thể là khoảng 0,24 đến 0,25 đô la, thấp hơn so với các đối thủ cạnh tranh khác. First Solar cho biết họ không còn báo cáo chi phí sản xuất mỗi watt để sản xuất tấm pin cadmium telluride của mình nữa, chỉ báo cáo rằng chi phí đã "giảm đáng kể" kể từ năm 2015 — khi công tychi phí được báo cáo là 0,46 đô la một watt— và tiếp tục giảm mỗi năm. Có một vài lý do khiến giá silicon tương đối rẻ. Nguyên liệu polysilicon, cũng được sử dụng trong máy tính và điện thoại thông minh, có sẵn rộng rãi hơn và rẻ hơn so với nguồn cung cấp cadmium và telluride. Khi các nhà máy sản xuất tấm silicon và các thành phần liên quan mở rộng quy mô, tổng chi phí sản xuất và lắp đặt công nghệ đã giảm. Chính phủ Trung Quốc cũng đãđược hỗ trợ và trợ cấpngành năng lượng mặt trời silicon của đất nước — nhiều đến nỗikhoảng 80 phần trămchuỗi cung ứng sản xuất năng lượng mặt trời của thế giới hiện nay diễn ra tại 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 lắp đặt năng lượng mặt trời trên thế giới đã tăng gần gấp mười lần, từ khoảng 74.000 megawatt vào năm 2011 lên gần 714.000 megawatt vào năm 2020,theoCơ quan Năng lượng tái tạo quốc tế. Hoa Kỳ chiếm khoảng một phần bảy tổng số của thế giới và năng lượng mặt trời hiện naymột trong những nguồn lớn nhấtcông suất điện mới được lắp đặt tại Hoa Kỳ mỗi năm.
Chi phí cho mỗi watt của cadmium telluride và các công nghệ màng mỏng khác cũng dự kiến sẽ giảm khi sản xuất mở rộng.First Solar nóirằng khi cơ sở mới ở Ohio mở cửa, công ty sẽ cung cấp chi phí cho 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 và mối quan ngại về lao động của ngành đã chỉ ra rõ ràng.
Mark Widmar, Tổng giám đốc điều hành của First Solar, cho biết kế hoạch mở rộng trị giá 680 triệu đô la của công ty là một phần trong nỗ lực lớn hơn nhằm xây dựng chuỗi cung ứng tự cung tự cấp và "tách biệt" ngành công nghiệp năng lượng mặt trời của Hoa Kỳ khỏi Trung Quốc. Mặc dù các tấm pin cadmium telluride không sử dụng bất kỳ polysilicon nào, First Solar đã cảm nhận được những thách thức khác mà ngành phải đối mặt, chẳng hạn như tình trạng tồn đọng do đại dịch gây ra trong ngành vận tải biển. Vào tháng 4, First Solar đã nói với các nhà đầu tư rằng tình trạng tắc nghẽn tại các cảng của Hoa Kỳ đang kìm hãm các lô hàng tấm pin từ các cơ sở của công ty ở Châu Á. Widmar cho biết việc tăng sản lượng tại Hoa Kỳ 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 hiện tại của công ty đối với các tấm pin mặt trời cho phép công ty tái sử dụng vật liệu nhiều lần, giúp giảm thêm sự phụ thuộc vào chuỗi cung ứng và nguyên liệu thô của nước ngoài.
Khi First Solar sản xuất các tấm pin, các nhà khoa học tại cả công ty và NREL tiếp tục thử nghiệm và cải tiến công nghệ cadmium telluride. Vào năm 2019, các đối tácđã phát triển một cách tiếp cận mớiliên quan đến việc “bôi” các vật liệu màng mỏng bằng đồng và clo để đạt được hiệu quả cao hơn nữa. Đầu tháng này, NRELcông bố kết quảcủa một cuộc thử nghiệm thực địa kéo dài 25 năm tại cơ sở ngoài trời của công ty ở Golden, Colorado. Một mảng 12 tấm pin cadmium telluride đang hoạt động ở mức 88 phần trăm hiệu suất ban đầu, một kết quả khả quan đối với một tấm pin được đặt bên ngoài trong hơn hai thập kỷ. Theo thông cáo của NREL, sự xuống cấp "phù hợp với những gì các 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 hoặc thiết lập một công nghệ nào đó vượt trội hơn công nghệ kia. Bà cho biết: "Tôi nghĩ rằng có một vị trí cho tất cả chúng trên thị trường và mỗi loại đều có ứng dụng riêng". "Chúng tôi muốn tất cả năng lượng được chuyển đến 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