Ai đã phát minh ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên?

Pin năng lượng mặt trời ngày nay đã quá quen thuộc, nhưng bạn có từng thắc mắc ai là người đầu tiên phát minh ra chúng? Nhiều người cho rằng đây là một công nghệ mới mẻ của thế kỷ 21, mà không hề hay biết rằng hành trình này bắt đầu từ những phát hiện tình cờ cách đây hơn một thế kỷ. Sự thiếu hiểu biết này khiến chúng ta bỏ lỡ câu chuyện đầy cảm hứng về sự kiên trì và trí tuệ của các nhà khoa học tiên phong. Bài viết này sẽ đưa bạn ngược dòng lịch sử, khám phá những cột mốc quan trọng, từ việc phát hiện ra hiệu ứng quang điện cho đến khi tấm pin mặt trời hoàn thiện đầu tiên ra đời, thay đổi mãi mãi cách chúng ta khai thác năng lượng.

Khám phá ra hiệu ứng quang điện trong vật liệu rắn

Sau phát hiện ban đầu về sự thay đổi điện trở của vật liệu Selen dưới tác động của ánh sáng, nhà khoa học Willoughby Smith đã tiếp tục thực hiện hàng loạt thí nghiệm để xác định chính xác bản chất của hiện tượng này. Ông muốn làm rõ liệu sự biến đổi điện trở là do tác dụng nhiệt hay tác dụng quang của ánh sáng mặt trời. Trong một thí nghiệm quan trọng, Smith đã đặt thanh selen vào một máng nước cạn. Lớp nước này có vai trò ngăn chặn tác động nhiệt trực tiếp từ mặt trời, trong khi vẫn cho phép ánh sáng chiếu tới thanh selen.

Kết quả thí nghiệm đã khẳng định giả thuyết của Smith: ngay cả khi yếu tố nhiệt được loại bỏ và chỉ còn tác dụng của ánh sáng, phản ứng của thanh selen vẫn diễn ra tương tự như lần đầu tiên ông quan sát. Từ đó, ông đưa ra kết luận mang tính nền tảng: Điện trở của selen thay đổi trực tiếp theo cường độ ánh sáng, chứ không phải do nhiệt độ. Đây là một dấu mốc quan trọng trong việc khám phá lịch sử pin năng lượng mặt trời và đặt nền móng cho ngành năng lượng tái tạo.

Nối tiếp nghiên cứu của Smith, vào cuối những năm 1870, Giáo sư William Grylls Adams và học trò của ông là Richard Evans Day, hai nhà khoa học người Anh, đã tiến hành nhiều thí nghiệm chuyên sâu với Selen. Một trong những thí nghiệm nổi bật của họ là thắp một ngọn nến và đặt cách thanh selen đã qua xử lý khoảng một inch. Ngay khi ngọn nến được thắp sáng, kim trên thiết bị đo điện lập tức phản ứng và di chuyển. Ngược lại, khi ánh sáng từ cây nến bị che lại, kim đo điện nhanh chóng trở về vị trí số 0.

Phản ứng tức thì và rõ rệt này đã củng cố mạnh mẽ kết luận của Smith: chính ánh sáng là tác nhân chính ảnh hưởng đến tính dẫn điện của Selen. Nếu sự thay đổi là do tác dụng nhiệt, kim đo điện sẽ dịch chuyển từ từ, không thể tăng giảm đột ngột như quan sát. Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng họ đã khám phá ra một hiện tượng hoàn toàn mới: ánh sáng có khả năng tạo ra một dòng điện trực tiếp trên chất rắn. Để mô tả chính xác bản chất của sự tạo điện từ ánh sáng, Adams và Day đã đặt tên cho hiện tượng này là “quang điện” (photoelectric), từ đó hình thành nên nguyên lý quang điện và mở đường cho sự phát triển của các thiết bị như pin năng lượng mặt trời và tấm pin quang điện hiện đại.

Mô đun quang điện đầu tiên

Trong dòng chảy của lịch sử pin năng lượng mặt trời, một cột mốc quan trọng đã được ghi nhận khi nhà phát minh người Mỹ Charles Fritts chế tạo thành công phát minh pin mặt trời đầu tiên dưới dạng mô đun quang điện vào những năm cuối thế kỷ 19. Mô đun này là một bước tiến vượt bậc, mở ra kỷ nguyên mới cho việc khai thác năng lượng mặt trời. Fritts đã phủ một lớp selen mỏng và rộng lên một đĩa kim loại, sau đó phủ lên bằng một lá vàng cực mỏng, bán trong suốt. Theo báo cáo của ông, mô đun selen này có khả năng tạo ra dòng điện “liên tục, ổn định và có cường độ đáng kể,” hoạt động hiệu quả không chỉ dưới ánh sáng ban ngày mà còn cả ánh sáng yếu hoặc ánh đèn.

Với thành tựu đột phá này, Fritts đã lạc quan dự đoán rằng các mô hình tấm quang điện của ông có thể thay thế hoàn toàn phương pháp sản xuất điện từ than đá đang phổ biến thời bấy giờ – một tuyên bố đầy táo bạo chỉ ba năm sau khi Thomas Edison giới thiệu phương pháp phát điện bằng nhiên liệu hóa thạch.

Charles Fritts và mô đun quang điện selen đầu tiên vào năm 1883.

Sự kiện này nhanh chóng thu hút sự chú ý của giới khoa học. Fritts đã gửi một trong những pin năng lượng mặt trời đầu tiên của mình đến Werner von Siemens, một nhà phát minh lừng danh có tiếng tăm sánh ngang với Edison. Siemens và các nhà khoa học Đức đã vô cùng ấn tượng trước dòng điện mà tấm quang điện này tạo ra, và nhanh chóng trình bày nó tại Viện hàn lâm khoa học hoàng gia Phổ. Siemens đã công bố rộng rãi với thế giới khoa học rằng: “Mô đun của người Mỹ trình bày với chúng tôi, lần đầu tiên có thể chuyển đổi trực tiếp năng lượng của ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện.”

Siemens nhận định rằng quang điện là một khám phá khoa học quan trọng và có tầm ảnh hưởng sâu rộng nhất. James Clerk Maxwell (1831-1879), nhà vật lý người Scotland nổi tiếng với các định luật cơ bản về điện trường, cũng hoàn toàn đồng tình với Siemens, ca ngợi công trình nghiên cứu quang điện là “một đóng góp vô giá đối với khoa học.”

James Clerk Maxwell – Người đã ca ngợi công trình quang điện của Fritts.

Tuy nhiên, dù sự kinh ngạc ban đầu là rất lớn, cả Siemens và Maxwell vẫn không thể lý giải được bản chất cốt lõi của hiệu ứng quang điện. Maxwell từng tự hỏi liệu “các bức xạ Mặt Trời là nguyên nhân của vấn đề hay nó gây ra các biến đổi hóa học trên thanh selen?”. Siemens cũng kêu gọi “thực hiện một cuộc điều tra kỹ lưỡng để xác định căn nguyên hiện tượng quang điện của thanh selen phụ thuộc vào những yếu tố nào?”.

Lời kêu gọi của Siemens không nhận được nhiều sự hưởng ứng từ cộng đồng khoa học. Vào thời điểm đó, kiến thức khoa học phổ biến chỉ thừa nhận việc nhiệt năng có thể chuyển đổi thành điện năng, như trong phát minh của Edison. Do đó, hiện tượng quang điện của thanh selen từ Adams và Day, hay “chiếc đĩa ma thuật” của Fritts, bị nhiều người cho là “phản khoa học” và không thể là sự thật do không sử dụng nhiệt lượng. Phần lớn các nhà khoa học đã từ chối tiếp tục nghiên cứu hiện tượng này, dẫn đến một giai đoạn bế tắc trong sự phát triển của công nghệ tế bào quang điện.

Trong bối cảnh đó, chỉ có một nhà khoa học “dũng cảm” là George M. Minchin, giáo sư toán học ứng dụng tại trường cao đẳng kỹ thuật hoàng gia Ấn Độ, đã kiên trì theo đuổi nghiên cứu để lý giải hiện tượng quang điện. Mặc dù bị giới khoa học đương thời xem là “điên rồ” và “phản khoa học”, Minchin đã tiến rất gần đến việc giải thích tác động của ánh sáng lên thanh selen, dù một lời giải thích thỏa đáng vẫn chưa thể được đưa ra.

Sự hoài nghi của cộng đồng khoa học càng tăng lên sau một thử nghiệm của Minchin. Ông đã đặt mô đun quang điện vào trong một chiếc hộp bằng kính đen và đo lường nhiệt lượng bên trong. Minchin lập luận: “Rõ ràng là chiếc hộp bằng kính đen đã hấp thu tất cả các dạng năng lượng trong tia sáng mặt trời và chuyển thành nhiệt năng trong lòng hộp. Tuy nhiên, có thể điều này chưa chính xác.” Minchin tin tưởng rằng: “có thể có một số dạng năng lượng Mặt Trời không bị hấp thu bởi các bề mặt màu đen. Và còn một cái gì đó cần phải khám phá ra. Chỉ khi nào khoa học có thể đo lường được năng lượng của các bước sóng khác nhau thì vấn đề quang điện mới được giải quyết.” Niềm tin vững chắc của ông đã báo trước cho những khám phá vĩ đại sau này về bản chất lượng tử của ánh sáng.

Phát kiến quan trọng của Einstein

Cùng quan điểm với Minchin, Albert Einstein cho rằng khoa học đương thời vẫn chưa phát hiện và đo lường tất cả những dạng năng lượng truyền từ Mặt Trời đến Trái Đất. Trong một nghiên cứu táo bạo được xuất bản vào năm 1905, Einstein đã nêu ra một thuộc tính của ánh sáng mà các nhà khoa học trước đó không công nhận. Ông đã phát hiện ra rằng ánh sáng bao gồm các “gói” năng lượng và ông gọi đó là quanta (hiện nay là các photon).

Thêm một đóng góp của Einstein cho sự phát triển của nhân loại với lý thuyết lượng tử ánh sáng, mở đường cho các nghiên cứu quang điện sau này.​

Đúng với những gì Minchin dự đoán, Einstein lập luận rằng lượng năng lượng mà các quanta ánh sáng sẽ được biểu hiện dưới các hình thức khác nhau và phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng. Một cách cụ thể hơn, bước sóng càng ngắn, năng lượng càng lớn. Bước sóng ngắn nhất có thể mang năng lượng nhiều gấp 4 lần so với bước sóng dài nhất.

Mô tả táo bạo của Einstein về bản chất ánh sáng, kết hợp với việc phát hiện ra electron đã làm cho hàng loạt nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu kỹ hơn về tác động của ánh sáng. Tất cả những điều này đều là bước ngoặc cho sự phát triển của quang điện trong thế kỷ 19. Tất cả những bí ẩn trước đó xoay quanh ánh sáng mặt trời và quang điện đã có thể được lý giải trong khuôn khổ khoa học.

Trong những loại vật liệu như selen, các photon mang đủ năng lượng cần thiết có khả năng tác động vào những electron liên kết yếu và khiển nó di chuyển khác với quỹ đạo ban đầu. Khi dây dẫn điện được gắn với thanh selen, các electron được giải phóng bới năng lượng photon sẽ di chuyển trong dây dẫn và tạo thành dòng điện. Các thí nghiệm trong thế kỷ 19 bắt đầu gọi hiện tượng trên là quang điện.

Việc lý giải một cách rõ ràng hiện tượng quang điện đã kích thích các nhà khoa học nghiên cứu sâu hơn nhằm tìm phương pháp tạo ra quang điện dưới quy mô công nghiệp. Từ đó thực hiện ước mơ khai thác nguồn năng lượng sạch và vô tận từ Mặt Trời.

Tiến sĩ Bruno Lange, nhà khoa học người Đức từng thiết kế nên mô đun quang điện tương tự như Fritt vào năm 1931 cũng đã từng dự đoán rằng: “Trong một tương lai không xa, hàng nghìn mô đun quang điện sẽ được tạo ra nhằm chuyển đổi quang năng thành điện năng. Điều này có thể thay thế các nhà máy thủy điện hay nhiệt điện, có thể tạo nên những chiếc xe hơi năng lượng mặt trời và thậm chí là có thể sử dụng cho mỗi hộ gia đình.”

Dù vậy, do pin năng lượng mà Lange chế tạo hoạt động kém hiệu quả hơn so với phiên bản của Fritt, chỉ chuyển hóa được khoảng 1% năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời thành điện năng. Điều này không đủ để biện minh cho tính khả thi khi khai thác năng lượng Mặt Trời trên quy mô công nghiệp.

Những nhà tiên phong trong việc tạo ra quang điện đã gặp phải thất bại so với hy vọng ban đầu được đặt ra. Dù vậy, tất cả những nỗ lực của họ không hẳn là hoàn toàn vô ích. Một người cùng thời với Minchin còn dự đoán rằng “sẽ có lúc con người sẽ có thể thu được năng lượng từ Mặt Trời với hiệu suất cao và thậm chí là lưu trữ chúng. Điều này sẽ làm cho động cơ hơi nước và các loại động cơ khác hoàn toàn tuyệt chủng.”

Khoảng thời gian tiếp theo, không có một bước đột phá nào được ghi nhận trong việc khai thác quang điện. Thậm chí, người đứng đầu của tập đoàn năng lượng Westinghouse còn cho rằng: “pin năng lượng Mặt Trời sẽ không thể nào hấp đẫn các kỹ sư cho tới khi hiệu suất chuyển đổi từ quang năng thành điện năng đạt ít nhất là 50%.

Các tác giả của quyển sách Photoelectricity and Its Applications (Quang năng và những ứng dụng của nó) xuất bản vào năm 1949 đã đưa ra một dự đoán khá bi quan rằng: “Chỉ khi nào trong tương lai phát hiện ra một loại vật chất mới thì pin quang điện mới có thể khai thác năng lượng Mặt Trời cho các mục đích hữu ích cho con người.”

Pin năng lượng Mặt Trời hoàn thiện đầu tiên

Trong hành trình tìm hiểu lịch sử pin năng lượng mặt trời, một bước ngoặt quan trọng đã đến khi các nhà nghiên cứu nhận ra tiềm năng vượt trội của Silic. Đây chính là vật liệu thay thế hiệu quả hơn nhiều so với Selen, mở ra kỷ nguyên mới cho sự phát triển của pin năng lượng mặt trời. Khám phá này diễn ra tình cờ trong quá trình chế tạo bóng bán dẫn silic tại phòng thí nghiệm Bell Laboratories, thành phần cốt lõi của mọi thiết bị điện tử hiện đại.

Hai nhà khoa học tiên phong tại Bell Laboratories, Calvin Fuller và Gerald Pearson, đã đóng góp to lớn vào việc chế tạo điốt bán dẫn silic. Fuller, một nhà hóa học tài ba, đã tìm ra cách pha tạp chất vào silic để biến nó từ chất kém dẫn điện thành vật liệu dẫn điện ưu việt. Pearson, với biệt danh “thực nghiệm của thực nghiệm”, đã kiểm chứng các lý thuyết này trong thực tế. Trong một thí nghiệm định mệnh, Fuller cung cấp cho Pearson một mẫu silic pha gali (tích điện dương). Khi Pearson nhúng mẫu này vào bể liti nóng, phần silic ngập dung dịch tích điện âm, tạo thành một điện trường bền vững tại vị trí tiếp giáp giữa hai vùng – đây chính là cấu trúc p-n, nền tảng của điốt bán dẫn và sau này là của năng lượng mặt trời.

Gerald Pearson, nhà khoa học tại phòng thí nghiệm Bell

Thật bất ngờ, khi Pearson kết nối mẫu silic pha gali với dây dẫn, đặt dưới bóng đèn và đo bằng ampe kế, một dòng điện đã được tạo ra khi ánh sáng chiếu vào. Phát hiện ngẫu nhiên nhưng mang tính cách mạng này đã chứng minh hiệu ứng quang điện có thể được khai thác hiệu quả với silic, đặt nền móng cho phát minh pin mặt trời.

Cấu trúc chuyển tiếp p-n, thành phần quan trọng nhất của điốt bán dẫn. Tiền đề chế tạo thành công pin năng lượng Mặt Trời hoàn thiện

Cùng thời điểm đó, một nhà khoa học khác tại Bell Laboratories, Daryl Chapin, đang đối mặt với thách thức về sự suy giảm năng lượng của pin truyền thống trong môi trường có độ ẩm cao. Nhiệm vụ của Chapin là tìm kiếm một nguồn năng lượng thay thế khả thi. Sau khi cân nhắc nhiều lựa chọn như năng lượng gió hay nhiệt, Chapin đã đề xuất tập trung vào phát triển pin năng lượng mặt trời. Đề xuất này đã được chấp thuận, và vào cuối tháng 2 năm 1953, Chapin bắt đầu nghiên cứu quang điện. Ông đặt ra mục tiêu đầy tham vọng: tạo ra một tấm pin có khả năng sản xuất 4,9 W điện trên mỗi mét vuông với hiệu suất chuyển đổi cao nhất, với mục tiêu ban đầu là đạt 6% – ngưỡng được xem là thiết yếu để pin quang điện trở thành một nguồn điện thực sự hữu ích.

Khi thông tin về nghiên cứu của Chapin đến tai Pearson, ông đã chia sẻ về phát hiện tình cờ của mình và cung cấp mẫu silic pha gali cho Chapin. Ngay lập tức, Chapin tiến hành thử nghiệm dưới ánh sáng mặt trời và xác nhận độ chính xác trong phát hiện của Pearson. Mẫu pin mặt trời bằng silic này đạt hiệu suất chuyển đổi quang năng sang điện năng là 2,3%, cao gấp 5 lần so với pin làm từ Selen. Từ đó, Chapin quyết định dồn toàn lực vào việc phát triển pin năng lượng mặt trời sử dụng silic.

Calvin S. Fuller, đang phủ một lớp Bo lên Silic để tạo thành nên pin năng lượng Mặt Trời hoàn thiện đầu tiên trên thế giới.

Dù đã thực hiện nhiều thử nghiệm, Chapin vẫn gặp phải những trở ngại đáng kể. Ông đã tìm đến các lý thuyết lượng tử ánh sáng của Albert Einstein và các nghiên cứu bán dẫn trước đó của Pearson và Fuller để tìm lời giải. Cuối cùng, Chapin nhận ra rằng cần phải đưa cấu trúc p-n càng gần với bề mặt pin càng tốt và giảm thiểu sự phản xạ ánh sáng từ bề mặt silic. Để khắc phục, ông đã phủ một tấm plastic mờ và một lớp Bo lên bề mặt tấm pin, giúp hấp thụ nhiều photon hơn. Nhờ sự hợp tác ăn ý giữa Pearson, Fuller và Chapin, họ đã đạt được mục tiêu quan trọng: tạo ra tấm pin quang điện đầu tiên với hiệu suất chuyển đổi lên tới 6% – một cột mốc lịch sử mở ra kỷ nguyên mới cho nguyên lý quang điện và năng lượng mặt trời.

Nhóm 3 nhà khoa học trong một thí nghiệm với pin năng lượng Mặt Trời (Từ trái qua: Pearson, Chapin và Fuller)

Ngày 25 tháng 4 năm 1954, giám đốc Bell Laboratories đã chính thức giới thiệu tấm pin năng lượng Mặt Trời hoàn thiện đầu tiên trước giới báo chí. Tại buổi công bố, một bảng các tế bào quang điện đã tạo ra đủ điện năng để quay một đu quay Ferris đường kính 21 inch, gây ấn tượng mạnh. Ngày hôm sau, tại Washington, các nhà khoa học đã dùng nguồn điện từ pin mặt trời để vận hành một chiếc máy thu thanh, phát sóng giọng nói và âm nhạc trước sự chứng kiến của nhiều nhà khoa học hàng đầu. Các tờ báo Mỹ lúc bấy giờ đã ca ngợi đây là “nhiên liệu vô tận”, có khả năng thay thế than đá, dầu mỏ và sánh ngang với uranium. Sự kiện này không chỉ đánh dấu một cột mốc trong lịch sử phát triển của pin mặt trời mà còn mở ra kỷ nguyên mới cho năng lượng sạch và năng lượng tái tạo hiện đại.

Mẫu quảng cáo pin năng lượng Mặt Trời đầu tiên của phòng thí nghiệm Bell

Kể từ đó, công nghệ pin năng lượng mặt trời đã không ngừng được cải tiến để nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất, dẫn đến sự ra đời của những tấm pin hiện đại mà chúng ta thấy ngày nay. Sự kiện này là minh chứng cho trí tuệ và sự kiên trì của các nhà khoa học, mang lại một nguồn năng lượng xanh, bền vững cho tương lai.

Edit: vuphong.vn

Câu hỏi thường gặp về lịch sử pin năng lượng mặt trời:

Ai là người đầu tiên phát hiện ra hiệu ứng quang điện?: Kỹ sư người Anh Willoughby Smith là người đầu tiên phát hiện ra hiệu ứng quang điện của nguyên tố selen vào năm 1873, đặt nền móng cho sự phát triển của pin mặt trời.

Tấm pin năng lượng mặt trời hoàn thiện đầu tiên ra đời khi nào?: Tấm pin năng lượng mặt trời thực sự hiệu quả và hoàn thiện đầu tiên được phát minh bởi các nhà khoa học Daryl Chapin, Calvin Fuller và Gerald Pearson tại phòng thí nghiệm Bell vào năm 1954.

Vật liệu chính để chế tạo pin năng lượng mặt trời hiện đại là gì?: Silic (Silicon) là vật liệu chính được sử dụng để chế tạo pin năng lượng mặt trời hiện đại, nhờ vào khám phá về cấu trúc p-n tại phòng thí nghiệm Bell, mang lại hiệu suất vượt trội so với Selen.