Solar cell silicon đang tiến gần giới hạn: Thay vì bỏ nó đi, các nhà nghiên cứu đặt một “tầng bắt ánh sáng” thứ hai lên trên

Silicon không hết đất phát triển, nhưng nó đang tiến vào vùng mà mỗi phần trăm hiệu suất tăng thêm trở nên rất đắt về mặt vật lý lẫn kỹ thuật. Trong bảng Solar Cell Efficiency Tables phiên bản 68 công bố năm 2026, cell silicon tinh thể tốt nhất đạt 28,1% trên diện tích chiếu sáng được xác định; nếu tính toàn bộ diện tích cell lớn, kỷ lục tương ứng là 27,8%. Trong khi đó, mốc khoảng 29,4% từ lâu được dùng như giới hạn tham chiếu cho cell silicon đơn tiếp giáp với cơ chế bẫy sáng thông thường.

Thay vì thay silicon bằng một vật liệu hoàn toàn mới, hướng đang thu hút nhiều phòng lab và hãng sản xuất là giữ nguyên lớp silicon đã có, rồi đặt thêm một cell mỏng lên trên. Vật liệu được dùng nhiều nhất cho tầng mới này là perovskite. Hai cell hấp thụ những phần khác nhau của quang phổ Mặt Trời và nối với nhau thành một thiết bị gọi là perovskite–silicon tandem.

Ý tưởng nghe đơn giản, nhưng tác động lên trần hiệu suất rất lớn. Fraunhofer ISE ước tính khi phủ một cell perovskite dày khoảng 500 nanomet lên silicon, giới hạn hiệu suất lý thuyết của cấu trúc tandem có thể tăng từ khoảng 29,4% lên 43,3%. Tháng 7/2026, LONGi công bố một cell perovskite–silicon hai đầu đạt 35,5% hiệu suất, được European Solar Test Installation chứng nhận — cao hơn rõ rệt so với những gì silicon đơn tiếp giáp hiện làm được.

Silicon không “bắt” mọi photon theo cách hiệu quả như nhau

Một cell silicon chỉ có một bandgap. Photon có năng lượng thấp hơn bandgap có thể đi xuyên qua mà không tạo ra điện tích hữu ích. Photon có năng lượng cao hơn thì được hấp thụ, nhưng phần năng lượng vượt quá mức cần thiết nhanh chóng biến thành nhiệt trong quá trình các hạt tải thư giãn.

Đây là một trong những lý do cell đơn tiếp giáp gặp trần hiệu suất. Vật liệu phải chọn một bandgap duy nhất cho toàn bộ quang phổ Mặt Trời, nên không thể đồng thời xử lý tối ưu cả photon năng lượng cao lẫn photon năng lượng thấp.

Tandem giải bài toán bằng cách chia việc cho hai vật liệu. Perovskite tầng trên được thiết kế với bandgap rộng hơn, hấp thụ phần ánh sáng năng lượng cao trước. Những photon có năng lượng thấp hơn đi xuyên qua và tới cell silicon phía dưới. Silicon vì thế không bị loại bỏ; nó trở thành tầng thứ hai, tiếp tục làm phần việc mà ngành quang điện đã tối ưu trong hàng chục năm.

Cách sắp xếp này đặc biệt hấp dẫn vì bandgap của perovskite có thể được điều chỉnh bằng thành phần hóa học. Nhà nghiên cứu có thể chọn một perovskite phù hợp với silicon thay vì buộc silicon phải thay đổi để phù hợp với vật liệu mới.

Tại sao không bỏ silicon và dùng perovskite hoàn toàn?

Silicon có một thứ rất khó tái tạo: hạ tầng công nghiệp khổng lồ. Wafer, dây chuyền xử lý bề mặt, passivation, metallization, đóng gói module và chuỗi cung ứng đã được xây dựng ở quy mô terawatt. Một công nghệ mới muốn thay toàn bộ hệ thống này phải thắng không chỉ về hiệu suất mà còn về tuổi thọ, chi phí, năng suất nhà máy và độ tin cậy ngoài trời.

Tandem chọn con đường ít cực đoan hơn. Fraunhofer ISE đang phát triển quy trình trong đó perovskite được phủ trực tiếp lên các cell silicon có cấu trúc bề mặt gần với chuẩn công nghiệp hiện nay. Oxford PV cũng sản xuất cell tandem bằng cách đưa lớp perovskite lên cell silicon heterojunction tại cơ sở ở Brandenburg, Đức.

Điều này không có nghĩa nhà máy silicon hiện tại chỉ cần “thêm một lớp sơn” là xong. Tầng perovskite phải phủ đều lên bề mặt silicon có texture, các lớp vận chuyển điện tích phải đủ trong suốt, và toàn bộ stack phải chịu được nhiệt, độ ẩm cùng các bước đóng gói module. Nhưng tận dụng silicon làm tầng đáy vẫn tránh được việc xây lại toàn bộ công nghệ quang điện từ đầu.

Kỷ lục 35,5% cho thấy lợi thế vật lý đã xuất hiện

LONGi cho biết cell tandem của hãng đạt 35,5% vào tháng 7/2026 sau khi được ESTI xác nhận. Đây là cell nghiên cứu, không phải hiệu suất của một module thương mại trên mái nhà, nhưng nó cho thấy lợi thế của kiến trúc hai tiếp giáp không còn chỉ nằm trên giấy.

Khoảng cách giữa cell nhỏ và kích thước gần công nghiệp cũng đang thu hẹp. LONGi báo cáo 34,3% trên diện tích 261 cm² và 32,2% trên 274 cm². Một nghiên cứu đăng trên Nature Energy tháng 7/2026 sử dụng lớp tái hợp titanium oxynitride không chứa indium đạt 33,3% trên cell 1 cm² và 30,6% trên tandem diện tích 207,87 cm².

Phần “lớp tái hợp” nghe như một chi tiết phụ nhưng thực ra là một trong những nút thắt của tandem hai đầu. Hai sub-cell phải nối điện với nhau qua một lớp vừa dẫn điện tốt, vừa gần như trong suốt với ánh sáng, vừa không phá hỏng các lớp hóa học ở hai phía. Nếu lớp này hấp thụ ánh sáng hoặc tạo điện trở quá lớn, phần hiệu suất giành được nhờ thêm perovskite có thể bị mất ở chính giao diện giữa hai cell.

Tháng 8/2026, một nhóm khác công bố trên Nature Sustainability quy trình phủ blade-coating trong không khí cho perovskite, tạo tandem được chứng nhận 33,0%. Thiết bị single-junction trong cùng nghiên cứu giữ 99,8% hiệu suất ban đầu sau 1.200 giờ chiếu sáng liên tục trong điều kiện thử nghiệm. Kết quả này chưa tương đương hàng chục năm ngoài trời, nhưng cho thấy trọng tâm nghiên cứu đang dịch từ việc chỉ săn kỷ lục sang bài toán chế tạo ổn định và có thể mở rộng.

Khi hai cell nối tiếp, tầng yếu hơn sẽ kéo cả thiết bị xuống

Phần lớn tandem hiệu suất cao hiện dùng cấu trúc monolithic hai đầu: hai sub-cell xếp chồng và nối tiếp về điện. Cấu trúc này gọn, ít dây nối và phù hợp để tích hợp thành một cell duy nhất, nhưng nó tạo ra yêu cầu current matching.

Dòng điện chạy qua hai sub-cell phải bằng nhau. Nếu perovskite tạo nhiều dòng hơn silicon, phần dư đó không tự biến thành điện hữu ích; nếu silicon là tầng yếu hơn, nó trở thành giới hạn của cả stack. Phổ ánh sáng thay đổi theo mây, góc Mặt Trời, mùa và vị trí địa lý, nên tỷ lệ photon đi vào hai tầng cũng không cố định.

Vì vậy, thiết kế tandem không chỉ là chọn hai vật liệu có hiệu suất cao rồi xếp lên nhau. Độ dày perovskite, bandgap, texture silicon, lớp chống phản xạ, điện cực trong suốt và quang học của module đều phải được tối ưu như một hệ thống duy nhất.

Cell 35% chưa đồng nghĩa module 35%

Đây là khoảng cách dễ bị bỏ qua khi nhìn các kỷ lục phòng lab. Khi cell được ghép thành module, diện tích chết giữa các cell, điện trở dây nối, lớp kính, encapsulant và sai số đồng đều đều kéo hiệu suất xuống.

Tháng 6/2026, Fraunhofer ISE và Oxford PV trình diễn hai module tandem ở kích thước thực tế: module mái nhà 491 W trên 1,92 m² và module hai mặt 546 W trên 2,13 m². Cả hai đạt 25,6% nếu tính toàn bộ diện tích module. Đây vẫn cao, nhưng thấp hơn đáng kể so với cell nghiên cứu trên 30%.

Oxford PV đã bắt đầu gửi các module perovskite–silicon thương mại đầu tiên từ năm 2024 và hiện vận hành dây chuyền tích hợp tại Đức. Tuy vậy, thị trường tandem vẫn ở giai đoạn sớm so với silicon truyền thống. Việc một số module đã được giao cho khách hàng không có nghĩa công nghệ đã đạt quy mô sản xuất hay độ tin cậy tương đương hàng trăm gigawatt module silicon được triển khai mỗi năm.

Rào cản lớn nhất giờ không còn là chứng minh tandem có thể hiệu quả hơn

Về hiệu suất, câu hỏi cơ bản đã có câu trả lời: perovskite–silicon có thể vượt silicon đơn tiếp giáp. Các vấn đề khó hơn nằm ở sản xuất và tuổi thọ.

Perovskite nhạy với ẩm, nhiệt và các quá trình dịch chuyển ion trong vật liệu. Nhiều công thức hiệu suất cao vẫn chứa chì, đặt ra yêu cầu nghiêm ngặt về encapsulation và xử lý cuối vòng đời. Quy trình phủ dung dịch rất hiệu quả ở diện tích nhỏ nhưng khó giữ độ đồng đều khi mở rộng lên wafer công nghiệp; trong khi các phương pháp chân không dễ tích hợp hơn với sản xuất thin-film nhưng phải giải quyết tốc độ lắng đọng, thành phần vật liệu và chi phí thiết bị.

Những nghiên cứu mới đang tập trung đúng vào các điểm đó. Fraunhofer ISE và Đại học Freiburg vừa phát triển một chuỗi chế tạo tandem hoàn toàn không dùng dung môi bằng physical vapor deposition và các bước chân không có thể scale. Một hướng khác thay các lớp dẫn trong suốt chứa indium bằng vật liệu như titanium oxynitride để giảm tổn hao quang học và phụ thuộc nguyên liệu.

Silicon vì thế chưa bị “thế hệ mới” đẩy ra ngoài. Ngược lại, vị thế của nó trong tandem cho thấy một kịch bản thực tế hơn: công nghệ quang điện kế tiếp có thể được xây ngay trên nền tảng silicon hiện tại. Perovskite đảm nhận những photon mà silicon xử lý chưa tối ưu; silicon tiếp tục cung cấp phần hấp thụ, độ ổn định và cơ sở sản xuất mà ngành đã có sẵn.

Bước quyết định tiếp theo sẽ không phải một kỷ lục cell thêm vài phần mười phần trăm. Tandem cần chứng minh rằng module diện tích lớn có thể giữ lợi thế hiệu suất qua nhiều năm ngoài trời, sản xuất với yield cao và chi phí đủ thấp để phần điện tạo thêm bù được phần phức tạp tăng thêm của lớp perovskite. Nếu làm được điều đó, “tầng bắt ánh sáng” thứ hai sẽ không thay silicon — nó sẽ là cách silicon tiếp tục sống qua giới hạn của chính mình.

Nguồn: Solar Cell Efficiency Tables, Version 68; Fraunhofer ISE – Pero-Si-SCALE; LONGi – 35,5% tandem cell; Nature Energy – TiOxNy recombination layer; Nature Sustainability – scalable ambient fabrication; Fraunhofer ISE / Oxford PV – tandem modules; Fraunhofer ISE – solvent-free tandem cells.