Quan điểm mới về điện Mặt Trời

Quan điểm mới về điện Mặt Trời Sự cháy sạm da vào một ngày hè nóng bức, sức mạnh kinh hoàng của lốc xoáy, hay sự tồn tại của một lưỡi cắt cỏ đơn giản, tất cả đều chứng tỏ một điều: một lượng năng lượng khổng lồ từ Mặt Trời truyền đến Trái Đất. Trong một giờ, Mặt Trời phát ra lượng năng lượng tương đương với lượng năng lượng mà nhân loại tiêu thụ trong cả một năm – khoảng chừng 5 x 10 20 J – và trong 36 giờ giải phóng lượng năng lượng bằng với kho dự trữ dầu mỏ ước tính của Trái Đất. Khi bạn liên hệ điều này với thực tế là năng lượng Mặt Trời hầu như vô tận, có sẵn cho mọi người trên khắp thế giới và không gây ra hiệu ứng nhà kính hay các chất gây hại khác, thì dường như thật khó tưởng tượng tại sao chúng ta lại không khai thác nó tốt hơn. Nguyên nhân chính là giá thành. Điện sản xuất bằng tế bào Mặt Trời (tế bào quang điện trong) tốn khoảng 0,30$/kWh, trong khi điện lấy từ gió giá trong khoảng 0,05$/kWh và từ khí thiên nhiên mất chừng 0,03$/kWh. Về mặt kĩ thuật, khó khăn trong việc khai thác năng lượng từ các tia sáng Mặt Trời – ví dụ như so với nhiên liệu hóa thạch – là ở chỗ chúng có mật độ năng lượng tương đối thấp. Kết quả là ở Mĩ, chẳng hạn, các tế bào quang điện phát ra chỉ khoảng 0,02% điện năng, với phần lớn trong số còn lại có nguồn gốc từ than đá, khí đốt, và năng lượng hạt nhân. Những phát triển mới trong công nghệ tế bào Mặt Trời có thể giúp chúng ta khai thác tốt hơn sức mạnh từ Mặt Trời. (Nguồn: Maximilian Stock Ltd/Science Photo Library) Tuy nhiên, tình hình này sắp có chuyển biến. Những cải tiến dần dần đối với tế bào Mặt Trời silicon đơn tinh thể cơ bản đã làm giảm giá thành điện Mặt Trời đi khoảng 20 lần trong vòng 30 năm qua, và sự phát triển liên tục các chất tinh thể rẻ hơn cho thấy xu hướng này đang tiếp diễn. Theo báo cáo của các nhà khoa học Mĩ, George Crabtree và Nathan Lewis, trình Bộ Năng lượng Mĩ vào năm 2005, các tế bào Mặt Trời sẽ trở nên đủ sức cạnh tranh – phát điện năng với giá 0,02$/kWh – để thực hiện được ở quy mô lớn trong khoảng thời gian 20-25 năm. Nhưng một số người tin rằng việc tăng cường sử dụng năng lượng Mặt Trời có thể còn ấn tượng hơn nhiều. Chính Crabtree và Lewis đã ước tính rằng việc sử dụng rộng rãi các tế bào Mặt Trời có thể xảy ra vào năm 2015 nếu như các nhà vật lí có thể hoàn thiện một thế hệ dụng cụ mới, cải tiến hơn, chế tạo bằng công nghệ nano. Những dụng cụ này gồm các tế bào dựa trên chấm lượng tử hoặc dụng cụ nano tinh thể, có tiền năng vừa rẻ hơn vừa hiệu quả hơn những tế bào hiện có. Thật vậy, đó là hứa hẹn của những công nghệ này mà một bản báo cáo trình lên chính phủ Đức hồi năm 2003 đã tiên đoán rằng, vào năm 2050, điện Mặt Trời sẽ đáp ứng một phần tư nhu cầu năng lượng của thế giới. Một sự biến chuyển như thế yêu cầu ý chí chính trị rất lớn. Tuy nhiên, tình trạng khẩn cấp đang tăng dần mà với nó chính phủ các nước đang chú tâm, hay ít nhất là đang bàn cãi, hậu quả của sự biến đổi khí hậu cho thấy ý chí này có thể hợp nhất. Mặc dù sự phát sinh hiệu ứng nhà kính của thế giới có thể giảm bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng phi hóa thạch khác, nhưng một số nhà nghiên cứu, như nhà vật lí chất rắn Keith Barnham ở trường Imperial College London, tin rằng điện Mặt Trời sẽ còn gặp nhiều căng thẳng. Ông chỉ ra rằng nếu như nước Anh mở rộng tỉ trọng điện Mặt Trời lên thêm 40% mỗi năm – thấp hơn so với con số toàn cầu năm 2004 – thì mới có thể bù đắp cho sự thiếu hụt năng lượng do đóng cửa các lò phản ứng hạt nhân của mình trong vòng 20 năm tới. Cơ sở của tế bào Mặt Trời Tế bào Mặt Trời silicon hầu như vẫn không có gì thay đổi kể từ khi nó được phát minh ra tại Phòng thí nghiệm Bell ở Mĩ hơn 50 năm về trước. Một phần của bánh xốp silicon được pha tạp chất nhằm tạo ra sự dư thừa lỗ trống (tức là chất bán dẫn loại p), còn phần kia của bánh xốp được pha tạp để chứa dư thừa electron (bán dẫn loại n). Tại chỗ tiếp giáp giữa hai vùng này, các electron và lỗ trống kết hợp với nhau tạo ra một hàng rào thế giữ các electron và lỗ trống còn lại tách xa nhau. Tuy nhiên, khi một photon có đủ năng lượng chạm đến tế bào, nó đánh bật các electron từ dải hóa trị lên dải dẫn, tạo ra cặp electron-lỗ trống. Các cặp hình thành trên hoặc gần tiếp giáp p-n bị tác dụng lực bởi điện trường làm phân tách sao cho các lỗ trống thì truyền qua vùng loại p và electron thì sang vùng loại n, do đó tạo ra dòng điện. Hiệu suất của tế bào Mặt Trời được đo bằng tính hiệu quả của nó: tỉ số của công suất điện phát ra và công suất ánh sáng tới trên tế bào. Năm 1961, nhà vật lí William Shockley – người cùng nhận giải thưởng Nobel Vật lí năm 1956 cho việc phát minh ra transistor – và Hans Queisser đã tính được rằng loại tế bào Mặt Trời đơn giản nhất có khả năng thu được hiệu suất cực đại là 31%. Đây là một tế bào gồm một tiếp giáp p- n, phát ra chỉ một cặp electron-lỗ trống cho mỗi photon tới, phơi ra trước ánh sáng Mặt Trời không tập trung, và làm lãng phí ở dạng nhiệt bất kì photon tới nào có năng lượng vượt quá độ rộng khe bán dẫn. Đa phần tế bào Mặt Trời có trên thị trường hiện nay là những cái được gọi là tế bào thế hệ thứ nhất, chúng được chế tạo từ đơn tinh thể silicon. Hiệu suất cao nhất, (thấp hơn nhiều so với kỉ lục thu được trong phòng thí nghiệm, bởi Martin Greene và các đồng sự tại trường đại học New South Wales, Australia) là 24,7%. Tuy nhiên, các tế bào thế hệ thứ nhất có chi phí sản xuất đắt tiền do giá thành cao của việc tinh chế, kết tinh, và cưa thành bánh xốp silicon. Các tế bào Mặt Trời “thế hệ thứ hai” nhắm tới việc giảm những giá thành này bằng cách sử dụng màng mỏng silicon hoặc các hợp chất, chất bán dẫn khác, như đồng indium diselenide, cadmium telluride, gắn trên chất nền thủy tinh. Nhưng, trong khi rẻ hơn nhiều so với các tế bào silicon đơn tinh thể, thì những dụng cụ thuộc thế hệ thứ hai này lại chịu sự khiếm khuyết cấu trúc, khiến chúng kém hiệu quả hơn những kẻ đồng hành đơn tinh thể của mình. Nhằm khắc phục và vượt qua những trở ngại này, các nhà nghiên cứu đang làm việc với các tế bào thế hệ thứ ba, nếu khả thi, sẽ mang lại hiệu suất cực kì cao nhưng có chi phí sản xuất rẻ như các dụng cụ màng mỏng (xem hình bên dưới). Phương pháp chế tạo những dụng cụ thế hệ thứ ba này là phá vỡ một hoặc nhiều trong số các tiêu thức Shokley-Queisser. Một lựa chọn là tập trung ánh sáng Mặt Trời bằng gương hoặc thấu kính. Số cặp electron-lỗ trống, và do đó là dòng điện phát ra từ tế bào, tỉ lệ với tốc độ photon đi tới tế bào. Hiệu ứng tự nó sẽ không mang lại hiệu suất cao hơn, vì dòng điện trên đơn vị thông lượng ánh sáng Mặt Trời không tăng thêm. Nhưng do hiệu điện thế ra của lớp tiếp giáp p-n tăng theo hàm mũ với dòng điện, nên công suất phát, và do đó hiệu suất thực sự tăng lên theo hàm mũ. Nếu như tất cả các mặt khác của tế bào vẫn duy trì không đổi, thì việc hội tụ ánh sáng Mặt Trời đến có thể làm tăng hiệu suất lên tới 41%. Biểu đồ hiệu suất theo giá thành của ba thế hệ tế bào Mặt Trời. Các tế bào thế hệ thứ nhất, chế tạo trên cơ sở bánh xốp đơn tinh thể silicon đắt tiền, chiếm khoảng 85% số dụng cụ tiêu thụ trên thị trường hiện nay. Các tế bào thế hệ thứ hai, gồm có các màng mỏng silicon và những chất bán dẫn khác, rẻ hơn nhưng kém hiệu quả hơn. Trong khi đó, các dụng cụ thế hệ thứ ba, được chế tạo bằng công nghệ và chất liệu tiên tiến hơn, vẫn còn ở giai đoạn phát triển ban đầu, nhưng hứa hẹn cho hiệu suất cao với giá thành thấp. Những đường nằm ngang cho thấy giới hạn lí thuyết của hiệu suất (từ dưới lên trên) của một tế bào Mặt Trời tiêu chuẩn, một tế bào cải tiến phơi ra trước ánh sáng Mặt Trời không tập trung, và một tế bào cải tiến trước ánh sáng Mặt Trời tập trung với hệ số 46200 – giá trị lớn nhất có thể có. Các đường chéo đứt đoạn là quỹ tích của hằng số giá thành trên đơn vị công suất, đo bằng đô la trên watt. Vì những biến đổi tự nhiên của nguồn ánh sáng Mặt Trời đi tới một tiết diện ngang cho trước theo chu kì ngày/đêm và những biến đổi của mây che trên trời, nên công suất điện trung bình tạo ra bởi một tế bào Mặt Trời trong một năm bằng khoảng 20% tỉ lệ cực đại của nó. Giá 1$/W chuyển sang giá tiền điện là khoảng 0,05$/kWh trong tuổi thọ 30 năm của một tế bào Mặt Trời điển hình. Một lựa chọn khác là xếp chồng nhiều tế bào có độ rộng khe bán dẫn khác nhau lên trên nhau. Sự sắp xếp này cho phép dụng cụ phát ra dòng điện từ một phạm vi bước sóng photon rộng hơn nhiều so với tế bào silicon đơn tinh thể. Đã được sử dụng để cấp điện cho tàu vũ trụ, nơi giá thành không phải là vấn đề gì lớn lắm, các tế bào đa- tiếp giáp có hiệu suất giới hạn 43% nếu chúng chứa hai tiếp giáp riêng rẽ, 49% đối với ba lớp tiếp giáp và 66% với số lớp tiếp giáp vô hạn. Một lựa chọn nữa cho việc vượt qua giới hạn 31% thông lệ là biến một số năng lượng photon vượt mức (tức là độ chênh lệch giữa năng lượng photon và độ rộng khe bán dẫn) thành năng lượng có ích. Một cách thực hiện điều này là tạo ra nhiều cặp electron-lỗ trống đối với mỗi photon tới. Trong hàng thập kỉ, người ta đã biết rằng hiện tượng này xảy ra bên trong khối chất bán dẫn, trong đó các electron dẫn điện va chạm với các electron khác từ dải hóa trị đi vào dải dẫn. Nhưng hiệu ứng này rất hạn chế - trong silicon chẳng hạn, nó mang tới chỉ hơn một electron trên photon tới. Tuy nhiên, theo nhà vật lí Victor Klimov tại Phòng nghiên cứu quốc giá Los Alamox ở bang New Mixico, Mĩ, thì cái gọi là sự nhân hạt mang điện này có thể được cải thiện bằng cách chế tạo tế bào Mặt Trời từ một mạng lưới gồm hàng tỉ mảnh chất bán dẫn nhỏ xíu gọi là chấm lượng tử, thay cho một mẫu chất bán dẫn lớn. Trong các thí nghiệm thực hiện hồi năm ngoái, Klimov đã có thể làm phát sinh bảy cặp electron-lỗ trống trên photon tới bằng cách chiếu sáng đơn tinh thể chì selenide kích thước 5nm với những xung laser cực ngắn. Ông nói rằng quá trình này có thể mang lại những tế bào Mặt Trời có hiệu suất trên 40%. Klimov cho biết ông không biết chính xác phải chế ngự các chấm lượng tử như thế nào để thu được sự nhân photon này, nhưng ông cho rằng nó có thể một phần là do quá trình đó xảy ra trong khối chất bán dẫn và cũng có khả năng là do sự hình thành các “electron ảo”. Quá trình thứ hai vừa nói bao gồm việc một electron thu được nhiều năng lượng hơn khoản nhận từ photon tới, mặc dù trong một khoảng thời gian rất ngắn, và rồi truyền một số năng lượng vượt mức của nó cho một electron trong dải hóa trị. Chấm lượng tử cũng có thể được sử dụng để chế tạo các tế bào “hạt mang tốc hành”, trong đó năng lượng vượt mức do photon mang lại không bị thất thoát dưới dạng nhiệt – như đã xảy ra trong các tế bào Mặt Trời truyền thống – mà tạo ra những electron năng lượng cao hơn và do đó là một hiệu điện thế cao hơn so với trong tế bào chuẩn. Green ở trường đại học New South Wales là một nhà vật lí đang nghiên cứu công nghệ này. “Khi chế tạo một chất từ dưới lên dưới dạng chấm lượng tử, người ta có thể điều khiển các tính chất của chất đó ở bậc vi mô”, ông giải thích. “Cho nên bằng cách làm biến đổi tính cứng nhắc của tương tác giữa chấm lượng tử và chất mà chúng gắn trên đó, chúng ta có thể làm giảm lượng nhiệt thất thoát do dao động nguyên tử”. Mặc dù phải mất 10-15 năm nữa công nghệ này mới đến được thị trường, nhưng nhóm của Green hiện nay đã chế tạo được tế bào đầu tiên của mình trên cơ sở chấm lượng tử, và ông nghĩ rằng những dụng cụ thương mại dựa trên công nghệ này có thể đạt hiệu suất 20-30%. “Tôi sẽ rất ngạc nhiên nếu như trong chừng 30 năm nữa, các tế bào Mặt Trời không sử dụng công nghệ này trong một số cách”, ông nói. Tế bào giếng lượng tử Trước khi chấm lượng tử được sử dụng cho việc chế tạo các tế bào Mặt Trời dựa trên sự nhân hạt mang điện hoặc hạt mang điện nóng, thì cần phải vượt qua hai rào cản quan trọng. Một là làm sao tách riêng được các electron và lỗ trống phát sinh trong những dụng cụ như thế - tức là chức năng thực hiện bởi tiếp giáp p-n trong tế bào Mặt Trời silicon – còn rào cản kia là phải tìm cách kết nối từng chấm lượng tử một. Có lẽ việc này có thể thực hiện bằng cách sử dụng dây nano hoặc đơn giản là đặt các chấm lượng tử gần nhau và dựa vào sự chui hầm lượng tử. Một dụng cụ thế hệ thứ ba khác cũng khai thác cấu trúc bậc nano là cái được gọi là tế bào Mặt Trời giếng lượng tử. Barnham và các đồng sự tại trường Imperial College London đã chế tạo được một tế bào như thế bằng cách kẹp 50 lát bán dẫn indium gallium arsenide, có độ rộng khe tương đối thấp, với mỗi lát chỉ dày vài nanomét, giữa các mảnh gallium-arsenide phosphide hơi dày hơn một chút, có độ rộng khe cao hơn. Mỗi lát thuộc chất có độ rộng khe thấp bị giới hạn ở cả hai mặt bằng chất có độ rộng khe cao hình thành nên một giếng thế, photon rơi vào đó sẽ bị hấp thụ và từ đó electron và lỗ trống thoát khỏi nhờ năng lượng nhiệt của chúng. Các giếng lượng tử làm lệch ngưỡng năng lượng trên đó tế bào hoạt động xuống dưới, và như vậy làm giảm độ rộng khe của gallium arsenide sao cho nó bắt được một phần lớn hơn phổ photon chạm tới tế bào. Điều này làm giảm một chút hiệu điện thế phát sinh từ tế bào (vì năng lượng trung bình của các cặp electron-lỗ trống được sinh ra thấp hơn), nhưng sự giảm hiệu điện thế này được đền bù nhiều hơn bởi sự tăng dòng điện, kết quả là cho công suất phát toàn thể cao hơn. Một cách rõ ràng hơn nhằm làm giảm độ rộng khe của tế bào gallium-arsenide là đơn giản cấy thêm một lớp indium gallium arsenide lên trên nó. Nhưng theo Barnham, sự ghép đôi không đối xứng trong khoảng cách nguyên tử giữa hai chất mang lại sự sai khớp làm giảm hiệu suất của hợp chất. Giống như các tế bào Mặt Trời thế hệ thứ ba khác, tế bào giếng lượng tử sẽ được phơi ánh sáng Mặt Trời tập trung. Các quang cụ tương đối rẻ tiền làm hội tụ ánh sáng tới vào một khu vực nhỏ hơn nhiều của tế bào Mặt Trời, do đó làm giảm diện tích tế bào cần thiết và giá thành chung của hệ thống. Vì chính tế bào cấu thành nên một phần nhỏ của giá thành toàn hệ thống, nên nó mang lại cảm giác là sử dụng tế bào đắt hơn, nhưng hiệu quả hơn. Barnham và các cộng sự tới nay đã ghi nhận hiệu suất lên tới 27% trong tế bào của họ khi nó được phơi ánh sáng Mặt Trời tập trung 300 lần. Các nhà nghiên cứu khẳng định rằng hiệu suất của tế bào của họ trong thực tế có thể vượt hơn 30% bằng cách tái sinh photon khi electrn và lỗ trống tái kết hợp, như họ đã chắc chắn làm được. Barnham và các đồng sự mới đây đã thành lập một công ti, QuantaSol, để thương mại hóa công nghệ của họ, và có kế hoạch bán những tế bào giếng lượng tử của họ cho các nhà sản xuất tập trung trong vòng 6 đến 9 tháng tới. Thuốc nhuộm và plastic Một loại hoàn toàn khác thuộc các dụng cụ thế hệ thứ ba là tế bào Mặt Trời “nhuộm cảm quang”. Đi tiên phong bởi Michael Gratzel thuộc Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ và các cộng sự, sử dụng kết hợp thuốc nhuộm hóa học và chất bán dẫn khe rộng titanium dioxide, chất này rẻ hơn silicon. Photon tới tại tế bào làm giải phóng electron khỏi phân tử chất nhuộm, rồi truyền nó đến dải dẫn của chất bán dẫn và đi ra điện cực. Trong khi đó, lỗ trống bỏ lại trong chất nhuộm tái kết hợp với một electron trong lớp chất điện phân nằm giữa chất bán dẫn và điện cực thứ hai. Một trong những ưu điểm của tế bào Mặt Trời trên cơ sở chất nhuộm là độ rộng khe của chất bán dẫn không phải cân xứng với phổ ánh sáng chạm tới tế bào; phổ hấp thụ của chất nhuộm có thể dễ dàng điều chỉnh – đây là lí do tại sao chất bán dẫn rẻ tiền titanium dioxide, với khe rộng của nó, lại có thể được sử dụng. Khi lớp chất bán dẫn không yêu cầu phải dày, tế bào chất nhuộm cũng có thể gắn trên các chất dẻo. Ngoài ra, vì các tế bào là trong suốt nên chúng có thể được gắn vào cửa sổ. Martin Green thuộc trường đại học New South Wales, Australia (trái); và David Cahen thuộc Viện Khoa học Weizman, Israel (phải) đang làm việc với Jim MacQuillan thuộc trường đại học Otago, New Zealand, các đồng sự của Michael Gratzel thuộc Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ở Lausanne. Theo Gratzel, các nhà khoa học đã bỏ rơi ý tưởng này vì cường độ hạn chế của ánh sáng thu thập bởi chất nhuộm. Nhưng ông và các cộng sự của ông đã chỉ ra rằng vấn đề này có thể khắc phục bằng cách sử dụng một dạng nano tinh thể của titanium dioxide. Một mạng tinh thể chất bán dẫn nanomét mang lại vô số góc và vết nứt, trong đó các phân tử chất nhuộm có thể liên kết, làm tăng diện tích bề mặt có sẵn với chất nhuộm lên trên 1000 lần. Gratzel nói rằng tế bào hoạt động tốt nhất của nhóm của ông có hiệu suất chỉ trên 11% , ông ước tính việc chế tạo các tế bào chất nhuộm cảm quang sẽ rẻ hơn 3-4 lần so với các tế bào silicon truyền thống. Trong năm nay, công ti G24 Innovations đã khởi động sản phẩm thương mại đầu tiên thuộc nhóm tế bào Mặt Trời chất nhuộm càm quang tại một nhà máy ở Cardiff, nước Anh. Sau cùng, một công nghệ trẻ hơn nhiều so với các tế bào chất nhuộm cảm quang, nhưng là một công nghệ có tiềm năng to lớn, đó là tế bào Mặt Trời hữu cơ. Những dụng cụ như thế, sử dụng plastic làm thành phần hoạt tính, có tiềm năng còn rẻ hơn so với các dụng cụ bán dẫn. Chúng cũng mềm dẻo, nghĩa là chúng có thể quấn quanh bề mặt, cuộn lại, hoặc có khả năng sơn lên các cấu trúc. Hồi đầu năm nay, David Carroll, một nhà vật lí tại trường đại học Wake Forest ở Bắc Carolina, Mĩ, và các đồng sự khẳng định đã chế tạo được một tế bào Mặt Trời trên cơ sở polymer có hiệu suất 6%. Mặc dù là thấp so với chuẩn silicon, tuy nhiên hiệu suất này gây ấn tượng sâu sắc đối với polymer, chất có độ rộng khe cao và không làm tốt việc tách các cặp electron-lỗ trống. Jiwen Liu thuộc trường đại học Wake Forest, Mĩ, đang kiểm tra một trong những tế bào Mặt Trời polymer của nhóm ông. Carroll và các đồng sự thu được hiệu suất cao của họ bằng cách chế tạo các “mạch” kích thước nanomét bên trong polymer poly(3-hexylthiophene) dẫn đường cho các electron và lỗ trống nhanh chóng ra khỏi dụng cụ trước khi chúng có thể tái kết hợp. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tin rằng họ có thể đạt được hiệu suất cao cỡ 10% bằng cách bọc một polymer xung quanh một mảnh sợi cáp quang. Sợi cáp có hai nhiệm vụ: giữ các photon bên trong polymer cho tới khi chúng bị hấp thụ; và bắt các photon từ vùng góc tới lớn hơn. Nhiệm vụ thứ hai này làm tăng số ngày tế bào có thể hoạt động ở mức cực đại – từ khoảng 1 giờ với tế bào màng mỏng lên khoảng 5 giờ. “Dứa khoát đây là những tế bào Mặt Trời plastic”, Carroll nói, đội nghiên cứu của ông hiện nay đang chế tạo các nguyên mẫu thuộc cả loại màng mỏng và sợi quang. “Họ chế tạo những tế bào mềm dẻo rất tốt có khả năng mang lại công suất trên số ngày nhất định lớn hơn so với silicon. Thậm chí 6 tháng trước đây, tôi sẽ không nói như vậy”. Khắc phục vấn đề dự trữ Chế tạo hiệu quả, và do đó rẻ tiền, tuy nhiên các tế bào quang điện trong không đảm bảo rằng năng lượng Mặt Trời sẽ trở thành phần chủ yếu của tổ hợp năng lượng của thế giới. Cho dù những dụng cụ này có thể chuyển thành sản phẩm thương mại hiệu quả cao, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề trong việc chế tạo và cài đặt hàng loạt panen cần thiết. Loài người hiện tiêu thụ năng lượng ở tốc độ 13 terawatt (TW), và nhiều chuyên gia dự báo rằng sự gia tăng dân số và sự tăng trưởng kinh tế sẽ làm tăng con số này lên khoảng 45TW vào năm 2050. Việc phát ra 20TW năng lượng đó với các panen ở hiệu suất 10%, theo Cabtree và Lewis, điều đó có nghĩa là phải lắp đặt các tấm Mặt Trời như thế trên 0,16% diện tích mặt đất. Chỉ một phần nhỏ của con số này sẽ thu được bằng cách lắp đặt các panen trên nhà cửa của con người, những “cánh đồng” khổng lồ sẽ phải được xây dựng ở những nơi có lượng lớn ánh sáng Mặt Trời. Việc nỗ lực xây dựng những cánh đồng như thế ở miền Tây (nước Mĩ), thật trớ trêu, lại vấp phải sự phản đối vì lí do môi trường. Một trở ngại nữa là việc phân phối điện Mặt Trời đến những nơi cần thiết (khi mà các tế bào được xây dựng trên những cánh đồng). Tuy nhiên, có lẽ thách thức lớn nhất là làm sao dự trữ được năng lượng Mặt Trời, vì Mặt Trời không phải lúc nào cũng chiếu sáng. Một lựa chọn, đã được sử dụng bởi các nhà sản xuất năng lượng hạt nhân, là bơm nước lên đồi khi nhu cầu năng lượng là thấp, và giải phóng nước khi nhu cầu cao, do đó làm phát ra điện trong quá trình đó. Năng lượng Mặt Trời cũng có thể trữ bằng pin hoặc bánh xe quay, hoặc thậm chí tạo ra hydro. Tuy nhiên, hệ thống cần thiết để bơm hydro đến nơi cần đến sẽ cực kì đắt. Do đó, người ta vẫn phải xem xét liệu sự tăng trưởng nhanh chóng dòng điện trong hệ thống quang điện trong có thể được duy trì hay không. Nhất là người ta cũng không biết chắc chắn là những lĩnh vực nào chính phủ sẽ quay lại với năng lượng Mặt Trời. Nước Đức đã thiết lập một chương trình được đảm bảo bằng luật rằng những nhà sản xuất năng lượng Mặt Trời sẽ được các công ti điều hành mạng lưới điện trả một lượng tiền tối thiểu nhất định cho dòng điện của họ, tức là các công ti này sẽ gánh vác phần chi phí tăng thêm cho các khách hàng của họ. Quy định này mang lại một số lượng lớn công ti điện Mặt Trời, như Q-cells nằm ở gần Leipzig, Đức, hiện nay có trị giá vài tỉ đô la và đang tăng trưởng rất nhanh. Trong khi đó, Nhật Bản – quê hương của nhà sản xuất điện Mặt Trời lớn nhất thế giới, Sharp – có kế hoạch tăng dung lượng điện Mặt Trời của mình lên khoảng 100 gigawatt (gấp khoảng 30 lần dung lượng điện Mặt Trời toàn cầu hiện nay) vào năm 2030. Còn những nước khác thì hình như không nhiệt tình lắm. Ở Mĩ chẳng hạn, tiền chi cho nghiên cứu điện Mặt Trời vẫn khó huy động được. Bộ Năng lượng Mĩ hiện chi khoảng 100 triệu đô la một năm cho phát triển năng lượng Mặt Trời, nhưng chỉ một phần nhỏ của số tiền này là dành cho nghiên cứu công nghệ mới. “Không có thách thức công nghệ nào không thể vượt qua”, Carroll nói. “Nghĩa là không có quy luật vật lí nào ngăn cấm những dụng cụ hiệu suất cao thực sự được chế tạo. Công nghệ sẽ được thương mại hóa nếu được cộng đồng đầu tư”. Giống như nhiều người khác, Carroll tin rằng năng lượng Mặt Trời sẽ đóng góp một phần đáng kể trong sản lượng năng lượng thế giới trong 10 đến 20 năm tới. Nhưng ông nghĩ rằng việc này có thể xảy ra sớm hơn – cỡ chừng trong 5 năm thôi – nếu như các nhà chính trị tài trợ nhiều hơn cho nghiên cứu. “Bạn có thể giải quyết bất cứ vấn đề gì với khoa học”, ông nói, “nhưng bạn phải chi tiền cho các nhà khoa học làm điều đó”. Tác giả: Edwin Cartlidge (Physics World, tháng 7/2007) hiepkhachquay dịch (An Minh, ngày 05/07/2007, 9:45:56 AM)