Một trong những cột mốc quan trọng nhất của lĩnh vực năng lượng mặt trời diễn ra năm 1954, khi các nhà khoa học Daryl Chapin, Calvin Fuller, Gerald Pearson ở Phòng thí nghiệm Bell (Hoa Kỳ), phát hiện ra vật liệu bán dẫn silicon hiệu quả hơn selenium. Họ đã phát triển pin mặt trời silicon đầu tiên, chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng với PCE khoảng 6%.

Sự ra đời pin mặt trời silicon đầu tiên, cho thấy silicon là vật liệu lý tưởng, mang lại hiệu suất và độ ổn định cải thiện so với pin mặt trời dựa trên selenium trước đó, do cha đẻ của năng lượng mặt trời là Charles Fritts phát minh. Bước đột phá tại Phòng thí nghiệm Bell, mở đường cho các tấm pin mặt trời hiện đại ngày nay, với các thiết kế khác nhau dựa trên silicon.

Pin mặt trời silicon là loại pin mặt trời sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, nhờ tính ổn định và hiệu suất cao. Các tiến bộ về vật liệu và kỹ thuật chế tạo giúp tấm pin silicon, có PCE liên tục tăng lên, khiến chúng trở thành nguồn năng lượng tái tạo khả thi và phổ biến. Tấm pin mặt trời silicon đơn lớp hiện chiếm khoảng 95% thị trường pin mặt trời.

Tuy nhiên, ngay cả trong phòng thí nghiệm hoàn hảo, tấm pin mặt trời silicon thông thường cũng chỉ đạt PCE cao nhất khoảng 26%, trong khi giới hạn lý thuyết, được gọi là giới hạn Shockley-Queisser (S-Q) là khoảng 32%. Giới hạn S-Q là giới hạn hiệu suất lý thuyết đối với pin mặt trời silicon đơn lớp, do tổn thất quang học, nhiệt và điện tử.

Tại sao hiệu suất pin mặt trời silicon bị giới hạn? Vấn đề này có liên quan đến đặc điểm khe năng lượng (trực tiếp - gián tiếp) trong chất bán dẫn, ảnh hưởng đến số lượng photon được hấp thụ. Theo đó, ba loại tổn thất thường làm hạn chế đến hiệu suất lý tưởng của các pin mặt trời này là:

● Quang học: Các photon có năng lượng thấp hơn khe năng lượng sẽ không được hấp thụ. Khe năng lượng càng cao, lượng photon không được hấp thụ càng nhiều (khoảng 19% tổng tổn thất đối với pin mặt trời silicon).

● Nhiệt: Các photon có năng lượng vượt quá khe năng lượng (E > Eg) sẽ được hấp thụ. Các hạt mang điện được tạo ra bị nhiệt hóa xuống đến mép dải năng lượng. Năng lượng dư thừa được giải phóng dưới dạng nhiệt vào pin mặt trời (khoảng 33% tổng tổn thất đối với pin mặt trời silicon).

● Điện tử: Tổn thất do tái kết hợp điện tích bức xạ, tức là cặp điện tích tái kết hợp, cuối cùng phát ra photon (khoảng 15% tổng tổn thất của pin mặt trời silicon). Đây là các tổn thất do tiêu tán năng lượng dọc theo vùng biên dải, là một đường cong đẳng nhiệt (nhiệt độ không đổi của hạt tải điện).

Nhìn chung, các tổn thất này dẫn đến gần 68% tổng lượng ánh sáng mặt trời không được chuyển đổi thành điện năng. Trong thực tế, hiệu suất của tấm pin mặt trời silicon thương mại còn bị giới hạn hơn nữa do một số yếu tố như, silicon chỉ có thể hấp thụ một phần của quang phổ mặt trời, kích thước tấm pin…

Do tổn thất quang học, nhiệt và điện tử, rất khó có khả năng một pin mặt trời silicon đơn lớp khả thi về mặt thương mại sẽ đạt hiệu suất gần với giới hạn S-Q. Vậy làm sao để pin mặt trời có thể vượt qua giới hạn S-Q?

Khi các pin mặt trời tiến gần đến hiệu suất tối đa về mặt lý thuyết, pin mặt trời ghép nối tiếp mở ra một hướng để đẩy cao hơn nữa hiệu suất của pin mặt trời. Tấm pin ghép nối, đặc biệt là tấm pin ghép nối perovskite/silicon, chỉ ra một cách để vượt qua giới hạn này bằng cách sử dụng các vật liệu hấp thụ các phần khác nhau của quang phổ mặt trời.

Những đột phá trong công nghệ pin mặt trời perovskite đang giúp vượt qua giới hạn S-Q bằng cách ghép các lớp vật liệu hoạt động cùng nhau tạo nên sự kết hợp hoàn hảo. Thay vì một vật liệu phải khó khăn để hấp thụ phạm vi rộng hơn quang phổ mặt trời, các vật liệu ghép nối này chia nhỏ công việc ra.

Pin mặt trời ghép nối hấp thụ các bước sóng ánh sáng khác nhau với các lớp riêng biệt, giảm tổn thất năng lượng và tăng PCE tổng thể. Hơn 10 năm qua, perovskite nổi lên như một vật liệu đầy hứa hẹn trong công nghệ năng lượng mặt trời. Perovskite vừa dễ thích nghi, vừa linh hoạt, nên là lựa chọn tuyệt vời để tạo ra thiết bị ghép nối perovskite-silicon.

Hiện nay, kỷ lục PCE của pin mặt trời thuộc về pin mặt trời ghép nối perovskite/silicon, có hiệu suất ấn tượng ở mức 34,85% do LONGi thiết lập tháng 4/2025. Kỷ lục này, vượt qua mức cao trước đó cũng do LONGi thiết lập năm 2024 với hiệu suất 34,6%, là một trong số những kỷ lục vượt qua giới hạn S-Q của pin mặt trời silicon đơn lớp.