Nỗ lực phát triển pin mặt trời siêu mỏng, siêu nhẹ của Nhật Bản: Công nghệ perovskite tỏa sáng tại Expo Osaka 2025

Cuộc cách mạng năng lượng mặt trời của Nhật Bản: Tấm pin perovskite trở thành tâm điểm tại Expo Osaka 2025

Triển lãm Thế giới từ lâu đã là nơi giới thiệu những đột phá công nghệ, từ Cung điện Pha lê ở London năm 1851 đến màn ra mắt thang cuốn tại Paris năm 1900. Năm 2025, truyền thống này tiếp tục ở Osaka, Nhật Bản, nơi tâm điểm là thế hệ công nghệ năng lượng mặt trời mới: các tấm pin perovskite siêu mỏng, siêu nhẹ. Những tấm pin tiên tiến này không chỉ làm thay đổi diện mạo triển lãm mà còn báo hiệu khả năng ngành năng lượng mặt trời toàn cầu sẽ chuyển hướng, khi Nhật Bản đặt mục tiêu giành lại vị thế dẫn đầu về năng lượng tái tạo và giảm phụ thuộc vào công nghệ nhập khẩu.

Pin mặt trời perovskite là gì và vì sao chúng mang tính cách mạng?

Pin mặt trời perovskite được đặt tên theo một nhóm vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc biệt, được các nhà nghiên cứu Nhật Bản phát hiện có đặc tính quang điện vào năm 2009. Không giống các tấm pin mặt trời truyền thống làm từ silicon, pin perovskite cực kỳ mỏng, đôi khi chỉ dày một milimét, và có thể được sản xuất dưới dạng màng dẻo. Tính linh hoạt này cho phép lắp đặt chúng trên các bề mặt cong, mái nhà nhẹ, thậm chí tích hợp vào quần áo hoặc vật liệu xây dựng ở những nơi các tấm pin thông thường khó sử dụng.

Loại pin này cũng nhẹ hơn và rẻ hơn để sản xuất so với pin silicon. Chúng có thể hấp thụ phổ ánh sáng rộng hơn, gồm cả ánh sáng nhìn thấy và cận hồng ngoại, thậm chí tạo ra điện trong điều kiện trời nhiều mây hoặc dưới ánh sáng trong nhà. Trong phòng thí nghiệm, pin mặt trời perovskite đạt hiệu suất chuyển đổi điện năng vượt 26%, ngang với những tấm pin silicon tốt nhất. Các ứng dụng thực tế hiện đang được thử nghiệm tại Expo 2025, với hiệu suất của các tấm pin đạt khoảng 15% đến 21%; hiệu suất được kỳ vọng sẽ nhanh chóng cải thiện khi công nghệ hoàn thiện hơn.

Một trong những lợi thế đáng kể nhất đối với Nhật Bản là nguyên liệu thô chính để sản xuất pin mặt trời perovskite của nước này, iốt, có nguồn cung trong nước. Điều này trái ngược với các tấm pin silicon, vốn phụ thuộc nhiều vào polysilicon nhập khẩu, phần lớn từ Trung Quốc. Bằng cách phát triển công nghệ perovskite, Nhật Bản hy vọng sẽ tăng cường an ninh năng lượng và giảm phụ thuộc vào các nhà cung cấp nước ngoài.

Expo Osaka 2025: Phòng thí nghiệm thực tiễn cho đổi mới năng lượng mặt trời

Trung tâm trưng bày công nghệ perovskite tại Expo 2025 là Nhà ga Giao thông Yumeshima 1. Tại đây, hơn 250 tấm pin mặt trời perovskite siêu mỏng, siêu nhẹ tạo thành mái vòm cong của nhà ga xe buýt dài 250 mét, công trình lắp đặt lớn nhất thế giới thuộc loại này. Được phát triển bởi Sekisui Solar Film Co., Ltd., các tấm pin này nhẹ bằng khoảng một phần mười tấm pin mặt trời thông thường và đủ linh hoạt để lắp theo những cấu trúc kiến trúc cong. Việc lắp đặt chúng tại nhà ga không chỉ là thành tựu kỹ thuật mà còn thể hiện quyết tâm: Nhật Bản muốn dẫn đầu thế hệ công nghệ năng lượng mặt trời tiếp theo.

Điện do các tấm pin tạo ra cung cấp cho hệ thống chiếu sáng của nhà ga, cho thấy năng lượng tái tạo có thể được tích hợp liền mạch vào cơ sở hạ tầng công cộng. Tính mỏng và linh hoạt của các tấm pin cũng cho phép lắp đặt chúng tại các tòa nhà cũ, trung tâm phòng chống thiên tai và trường học, những nơi tấm pin truyền thống quá nặng hoặc cứng để có thể sử dụng hiệu quả.

Đổi mới không chỉ giới hạn ở mái nhà. Expo 2025 còn là nơi thử nghiệm công nghệ năng lượng mặt trời có thể mặc được. Nhân viên đang thử nghiệm áo ghi-lê tiện ích gắn các tấm pin mặt trời perovskite, do Toyoda Gosei (một công ty thuộc Tập đoàn Toyota), Enecoat Technologies và nhà sản xuất dệt may Seiren phát triển. Mỗi tấm pin nặng chưa đến bốn gram, cung cấp điện cho quạt đeo cổ giúp người lao động mát mẻ trong cái nóng mùa hè ở Osaka. Đây là dự án đầu tiên trên thế giới tích hợp pin mặt trời perovskite vào công nghệ có thể mặc, trong đó nhóm nghiên cứu thu thập dữ liệu hằng ngày về hiệu suất trong nhiều điều kiện thời tiết.

Cột thông minh, mặt tiền nghệ thuật và nhiều ứng dụng khác

Pin mặt trời perovskite còn được ứng dụng theo những cách sáng tạo khác tại triển lãm. Các cột đèn đường thông minh được trang bị tấm pin perovskite cong, cung cấp hệ thống chiếu sáng, biển báo kỹ thuật số và cả chức năng sạc không dây cho ghế băng. Panasonic đã phát triển các mặt tiền nghệ thuật bằng cách kẹp pin mặt trời perovskite trong suốt giữa các lớp kính, biến mặt ngoài tòa nhà thành nơi phát điện mà không làm mất đi tính thẩm mỹ. Những ứng dụng này cho thấy công nghệ perovskite rất linh hoạt và có tiềm năng đưa việc phát điện đến gần hơn với nơi cần sử dụng.

Lựa chọn chiến lược của Nhật Bản: An ninh năng lượng và phục hồi công nghiệp

Nỗ lực phát triển pin mặt trời perovskite của Nhật Bản không chỉ nhằm đổi mới công nghệ mà còn là bước đi chiến lược để giành lại độc lập năng lượng và phục hồi ngành sản xuất. Hiện nay, Trung Quốc sản xuất hơn 60% lượng tấm pin mặt trời trên thế giới, còn địa hình đồi núi của Nhật Bản hạn chế khả năng mở rộng các trang trại điện mặt trời truyền thống. Tập trung vào công nghệ perovskite, vốn có thể tích hợp vào môi trường đô thị và cơ sở hạ tầng hiện có, Nhật Bản đặt mục tiêu đưa điện mặt trời trở thành phần quan trọng hơn trong cơ cấu năng lượng, hướng tới mức 30% vào năm 2040.

Chính phủ Nhật Bản đang hậu thuẫn mục tiêu này bằng khoản đầu tư đáng kể. Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp (METI) đã cam kết rót 1,5 tỷ USD để hỗ trợ phát triển và thương mại hóa các tấm pin perovskite siêu mỏng, linh hoạt. Sekisui Chemical, doanh nghiệp dẫn đầu trong lĩnh vực này, đang nhận trợ cấp của chính phủ để mở rộng sản xuất, với kế hoạch đạt công suất 100.000 kilowatt vào năm 2027 và một triệu kilowatt vào năm 2030. Mục tiêu là tạo ra đủ điện mặt trời từ pin perovskite để tương đương sản lượng của 20 nhà máy điện hạt nhân vào năm 2040.

Nguồn iốt trong nước, nguyên liệu quan trọng để sản xuất pin perovskite, giúp Nhật Bản tăng cường hơn nữa an ninh năng lượng. Bằng cách giảm phụ thuộc vào polysilicon nhập khẩu và tận dụng nguồn tài nguyên trong nước, Nhật Bản hy vọng sẽ giảm thiểu tác động từ gián đoạn chuỗi cung ứng toàn cầu và các rủi ro địa chính trị.

Thách thức: Độ bền, độ ổn định và thương mại hóa

Dù đầy triển vọng, pin mặt trời perovskite vẫn phải vượt qua những trở ngại đáng kể trước khi có thể thay thế hoặc cạnh tranh với pin silicon trên quy mô lớn. Thách thức cấp bách nhất là độ bền. Vật liệu perovskite nhạy cảm với độ ẩm, nhiệt và tia cực tím, những yếu tố có thể khiến chúng xuống cấp và mất hiệu suất chỉ sau vài năm. Các nhà nghiên cứu đang tìm cách cải thiện độ ổn định bằng kỹ thuật đóng gói tiên tiến, gồm lớp phủ bảo vệ và chất phụ gia giúp che chắn pin trước tác động của môi trường. Các tấm pin mới nhất của Sekisui có tuổi thọ khoảng 10 năm; công ty đặt mục tiêu nâng lên 20 năm để ngang với pin mặt trời thông thường.

Một mối lo khác là chì có trong nhiều công thức perovskite. Dù lượng chì nhỏ và lớp đóng gói chắc chắn có thể giảm thiểu rủi ro môi trường, các nhà nghiên cứu đang tìm hiểu những vật liệu thay thế không chứa chì và phương pháp tái chế hiệu quả hơn để giải quyết các tác động tiềm tàng đến sức khỏe và sinh thái.

Chi phí cũng là một yếu tố. Ban đầu, pin mặt trời perovskite được dự báo sẽ đắt hơn pin silicon, nhưng sản xuất hàng loạt và tối ưu hóa quy trình có thể giúp giảm giá. Tính linh hoạt và dễ lắp đặt có thể bù đắp chi phí ban đầu cao hơn, nhất là ở môi trường đô thị, nơi pin truyền thống khó sử dụng.

Bối cảnh toàn cầu: Hợp tác và cạnh tranh

Nhật Bản không phải nước duy nhất theo đuổi công nghệ năng lượng mặt trời perovskite. Hợp tác quốc tế là chủ đề trọng tâm tại Expo 2025, với Liên minh Năng lượng Mặt trời Quốc tế (ISA) tổ chức các sự kiện thúc đẩy quan hệ đối tác giữa những nước như Ấn Độ và Nhật Bản. Các hoạt động hợp tác này nhằm xây dựng chuỗi cung ứng năng lượng mặt trời có khả năng chống chịu, thúc đẩy đầu tư vào công nghệ thế hệ mới và khuyến khích đổi mới trong lĩnh vực năng lượng sạch do giới trẻ dẫn dắt.

Trên toàn cầu, các tấm pin lai perovskite-silicon, trong đó một lớp perovskite được phủ lên trên pin silicon, đã giúp tăng hiệu suất lên đến 20%. Các công ty như Oxford PV ở châu Âu đang thương mại hóa loại pin lai này, trong khi doanh nghiệp Nhật Bản tập trung vào perovskite thuần và các giải pháp tích hợp vào công trình. Cuộc đua đang diễn ra để đạt sản xuất hàng loạt, khả năng cạnh tranh về chi phí và độ tin cậy lâu dài.

Nỗ lực của Nhật Bản là một phần trong sự chuyển dịch rộng hơn về chính sách năng lượng. Kế hoạch Năng lượng Chiến lược lần thứ 7 của chính phủ đặt mục tiêu giảm 73% lượng phát thải khí nhà kính vào năm 2040 và đạt trung hòa carbon vào năm 2050. Năng lượng tái tạo được kỳ vọng chiếm 40% đến 50% cơ cấu điện, trong đó pin mặt trời perovskite đóng vai trò quan trọng để đạt các mục tiêu này. Quy định mới của Tokyo về điện mặt trời, bắt đầu từ tháng 4/2025, sẽ yêu cầu lắp tấm pin trên các ngôi nhà mới, qua đó có thể bổ sung 1 đến 1,5 GW công suất mỗi năm.

Từ triển lãm đến đời sống thường ngày: Tương lai của điện mặt trời perovskite

Những màn trình diễn tại Expo 2025 không chỉ là nơi phô diễn kỹ thuật mà còn là các thử nghiệm thực tế định hình tương lai của năng lượng mặt trời. Dữ liệu thu thập từ áo ghi-lê, cột thông minh và tấm pin tích hợp vào công trình sẽ giúp định hướng thế hệ sản phẩm tiếp theo. Các công ty như Toyoda Gosei dự kiến ra mắt trang phục thông minh thương mại vào năm 2027, trong khi Sekisui Chemical hướng đến phổ biến rộng rãi màng pin mặt trời tại các cơ sở công cộng và hạ tầng đô thị.

Các chuyên gia cho rằng công nghệ perovskite có thể cách mạng hóa cách thức và địa điểm chúng ta tạo ra điện. Tính linh hoạt và trọng lượng nhẹ khiến công nghệ này phù hợp để tích hợp năng lượng mặt trời vào các vật dụng hằng ngày như quần áo, điện thoại thông minh, cửa sổ và phương tiện giao thông. Khi các nhà nghiên cứu khắc phục được những thách thức về độ bền và khả năng mở rộng, pin mặt trời perovskite có thể giúp các thành phố tự chủ hơn về năng lượng và chống chịu tốt hơn trước biến đổi khí hậu.

Canh bạc của Nhật Bản với điện mặt trời perovskite rất táo bạo, nhưng nếu thành công, công nghệ này có thể thiết lập một tiêu chuẩn mới cho năng lượng tái tạo trên toàn thế giới: nhẹ hơn, linh hoạt hơn và gần gũi hơn với những người sử dụng.

Tóm tắt

• Nhật Bản đang giới thiệu các tấm pin mặt trời perovskite siêu mỏng, siêu nhẹ tại Expo Osaka 2025, với mục tiêu dẫn đầu thế hệ công nghệ năng lượng mặt trời tiếp theo.
• Pin mặt trời perovskite linh hoạt, nhẹ và có thể tích hợp vào các bề mặt cong, quần áo và vật liệu xây dựng, phù hợp với môi trường đô thị.
• Công nghệ này có ưu thế về hiệu suất, chi phí và an ninh năng lượng; Nhật Bản có nguồn cung trong nước đối với các nguyên liệu chủ chốt và giảm phụ thuộc vào tấm pin silicon nhập khẩu.
• Các công trình tiêu biểu tại triển lãm gồm mái pin mặt trời perovskite lớn nhất thế giới tại nhà ga xe buýt, áo ghi-lê năng lượng mặt trời cho nhân viên và cột đèn đường thông minh tích hợp pin mặt trời.
• Vẫn còn những thách thức như cải thiện độ bền, giải quyết vấn đề sử dụng chì và đạt khả năng cạnh tranh về chi phí, nhưng công nghệ đang tiến bộ nhanh chóng.
• Chính phủ và doanh nghiệp Nhật Bản đang đầu tư mạnh vào công nghệ perovskite, với kế hoạch sản xuất hàng loạt và phổ biến rộng rãi vào năm 2030.
• Hoạt động hợp tác quốc tế tại Expo 2025 cho thấy cuộc đua toàn cầu nhằm thương mại hóa các giải pháp năng lượng mặt trời thế hệ mới và đạt những mục tiêu khí hậu đầy tham vọng.