Solar cell vệ tinh hiệu suất cao đã dựa vào germanium suốt 30 năm: IMM Apex bỏ vật liệu này và giảm 40% khối lượng cell

Trong khoảng ba thập kỷ, một công thức rất khó thay thế đã thống trị nhóm solar cell hiệu suất cao dùng trên vệ tinh: xếp nhiều lớp bán dẫn III-V lên một wafer germanium để mỗi lớp hấp thụ một phần khác nhau của phổ Mặt Trời. Germanium vừa là nền tinh thể thuận lợi cho quá trình epitaxy, vừa có thể tham gia như một junction phía dưới. Đổi lại, wafer này dày, nặng, đắt và ngày càng trở thành một điểm nhạy cảm của chuỗi cung ứng.

Rocket Lab vừa đưa ra một lựa chọn khác. Ngày 8/9/2026, công ty công bố đưa IMM Apex vào sản xuất, một solar cell cho ứng dụng không gian sử dụng kiến trúc inverted metamorphic multijunction và không phụ thuộc vào substrate germanium của thiết kế đa tiếp giáp truyền thống. Rocket Lab báo cáo hiệu suất chuyển đổi ở đầu vòng đời, hay BOL, là 31,5% và khối lượng cell thấp hơn 40% so với solar cell đa tiếp giáp thông thường.

Điểm đáng chú ý ở đây không phải một kỷ lục hiệu suất mới. IMM Apex đáng quan tâm vì Rocket Lab đang cố giải cùng lúc hai bài toán khó của nguồn điện vệ tinh: tăng công suất trên mỗi kilogram và giảm phụ thuộc vào một vật liệu chiến lược đang chịu áp lực nguồn cung.

Vì sao germanium đã bám trụ lâu như vậy?

Solar cell trên vệ tinh không chỉ cần hiệu suất cao. Nó phải chịu bức xạ, dao động nhiệt lớn, hoạt động ổn định nhiều năm và tạo đủ điện trong diện tích hạn chế. Vì vậy, các cell đa tiếp giáp làm từ vật liệu nhóm III-V như gallium indium phosphide và gallium arsenide đã trở thành lựa chọn phổ biến cho những nhiệm vụ đòi hỏi hiệu suất cao.

Germanium phù hợp với kiến trúc này vì cấu trúc tinh thể của nó tương thích tốt với một số lớp III-V quan trọng. Trong thiết kế truyền thống, nhà sản xuất có thể tăng trưởng các lớp bán dẫn chất lượng cao trực tiếp trên wafer Ge bằng epitaxy. Germanium cũng có bandgap đủ thấp để làm junction dưới cùng, tận dụng phần photon có năng lượng thấp hơn mà các junction phía trên bỏ qua.

Sự kết hợp đó giúp Ge trở thành một nền công nghệ rất thực dụng, chứ không phải một lựa chọn tình cờ. Tài liệu lịch sử của National Academies ghi nhận ngành solar cell không gian chuyển mạnh sang GaAs trên substrate germanium từ giữa thập niên 1990, còn ESA tới năm 2026 vẫn đang tài trợ các dự án nhằm cải thiện chất lượng wafer Ge cho solar cell III-V thế hệ mới.

Nhưng một wafer germanium không nhẹ. Ở kiến trúc cell thông thường, phần substrate có thể chiếm tỷ lệ đáng kể trong khối lượng bán dẫn dù phần thực sự tạo điện chỉ nằm trong các lớp rất mỏng phía trên. Với vệ tinh, nơi mỗi kilogram đều ảnh hưởng tới cấu trúc triển khai, kích thước panel và yêu cầu phóng, loại bỏ khối lượng không trực tiếp tạo ra điện có giá trị rõ ràng.

IMM thay đổi thứ tự chế tạo thay vì cố làm wafer Ge mỏng mãi

IMM là viết tắt của Inverted Metamorphic Multijunction. Tên gọi nghe phức tạp, nhưng ý tưởng cốt lõi khá trực quan: thay vì chế tạo toàn bộ stack theo thứ tự mà nó sẽ nằm trong sản phẩm cuối cùng, các junction được tăng trưởng theo thứ tự đảo ngược trên một growth substrate, sau đó cấu trúc được lật, gắn lên một carrier khác và substrate ban đầu được loại bỏ.

NASA mô tả quy trình IMM như một cách giải quyết đồng thời hai vấn đề. Các junction bandgap cao có thể được tăng trưởng trước trong điều kiện lattice matching tốt để giữ chất lượng tinh thể, sau đó các lớp có lattice constant khác được thêm vào thông qua vùng đệm metamorphic. Khi phần epitaxy hoàn tất, growth substrate được lấy đi, để lại stack bán dẫn mỏng hơn nhiều so với một cell giữ nguyên wafer ban đầu.

Đó là lý do IMM có lợi thế về specific power, tức công suất trên mỗi kilogram. Một cell có hiệu suất tương đương nhưng nhẹ hơn sẽ tạo được nhiều watt hơn trên cùng một giới hạn khối lượng. Với solar array lớn, đặc biệt trên vệ tinh viễn thông, tàu thăm dò hoặc hệ thống cần nhiều điện, chỉ số này có thể quan trọng không kém hiệu suất theo diện tích.

Rocket Lab chưa công bố trong thông báo mới cấu trúc lớp chi tiết, vật liệu của từng junction hay quy trình epitaxy đầy đủ của IMM Apex. Vì vậy, chưa thể kết luận từ tài liệu công khai rằng công ty đã thay thế germanium bằng một substrate cụ thể nào trong từng công đoạn chế tạo. Điều có thể khẳng định từ công bố chính thức là sản phẩm Apex không còn phụ thuộc vào substrate germanium của cell đa tiếp giáp truyền thống và được thiết kế như một lựa chọn thay thế tương thích cơ khí lẫn điện.

“Nhẹ hơn 40%” không có nghĩa cả tấm pin vệ tinh nhẹ hơn 40%

Rocket Lab dùng cụm 40% lower cell mass. Đây là mức giảm ở cấp solar cell, không phải toàn bộ solar array và càng không phải toàn bộ vệ tinh. Một hệ pin mặt trời hoàn chỉnh còn có cover glass chống bức xạ, dây dẫn, chất kết dính, substrate của panel, bản lề, cơ cấu bung, motor hoặc cơ cấu quay và phần điện công suất.

Điều này không làm con số 40% mất ý nghĩa, nhưng đặt nó đúng chỗ. Khi cell chiếm một phần đáng kể diện tích của array, giảm khối lượng từng cell sẽ cải thiện specific power của phần phát điện. Mức giảm cuối cùng ở cấp hệ thống sẽ phụ thuộc vào kiến trúc panel mà nhà sản xuất vệ tinh sử dụng.

Một chi tiết thực dụng khác là Rocket Lab gọi IMM Apex là drop-in replacement cho các sản phẩm heritage dùng germanium. Nếu khả năng tương thích này được duy trì trong các cấu hình khách hàng thực tế, nhà sản xuất vệ tinh có thể chuyển sang cell mới mà không phải thiết kế lại toàn bộ giao diện điện và cơ khí của panel. Với linh kiện không gian, giảm khối lượng nhưng buộc khách hàng thay cả quy trình qualification có thể làm lợi ích kinh tế biến mất rất nhanh; vì thế khả năng thay trực tiếp có thể quan trọng gần bằng thông số cell.

Germanium giờ không chỉ là bài toán khối lượng

Áp lực lớn hơn trong năm 2026 nằm ở chuỗi cung ứng. Theo U.S. Geological Survey, germanium được Mỹ sử dụng cho cáp quang, quang học hồng ngoại, semiconductor và substrate của solar cell đa tiếp giáp dùng trong không gian. China vẫn là nhà sản xuất và xuất khẩu germanium kim loại lớn nhất trong năm 2025.

USGS cho biết sau khi China cấm xuất khẩu germanium sang Mỹ vào tháng 12/2024, lượng germanium kim loại Mỹ nhập khẩu trong năm 2025 ước tính giảm 67% so với năm trước. Trong cùng giai đoạn, giá germanium kim loại độ tinh khiết cao tại châu Âu tăng từ khoảng 3.150 USD/kg vào tháng 1 lên 5.380 USD/kg vào tháng 10/2025.

Vì vậy, bỏ Ge khỏi một dòng sản phẩm không chỉ giúp giảm vài chục phần trăm khối lượng. Nó còn loại bỏ một vật liệu có giá biến động mạnh và nguồn cung tập trung khỏi bill of materials. Đây cũng là lý do Rocket Lab nhấn mạnh yếu tố chuỗi cung ứng gần như ngang với hiệu suất trong thông báo về Apex.

31,5% không phải con số cao nhất của IMM — và đó chính là điểm thú vị

Rocket Lab từng công bố các thế hệ IMM trước với hiệu suất BOL trên 32%, còn các thiết kế nghiên cứu IMM trong ngành đã đạt cao hơn nữa. Vì vậy, nhìn riêng con số 31,5% của Apex có thể khiến sản phẩm mới trông như một bước lùi.

Nhưng hiệu suất tuyệt đối không phải thước đo duy nhất của solar cell không gian. Một cell nhẹ hơn, có radiation hardness phù hợp, hoạt động ổn định theo nhiệt độ, dễ tích hợp và tránh được một vật liệu có nguồn cung rủi ro có thể tạo ra giá trị hệ thống tốt hơn một cell đạt thêm một hoặc hai điểm phần trăm hiệu suất nhưng nặng và đắt hơn.

Rocket Lab nói IMM Apex vẫn giữ khả năng chịu bức xạ và hiệu năng theo nhiệt độ tốt, nhưng thông báo ngày 8/9 chưa cung cấp các con số degradation cụ thể sau chiếu xạ, thông số end-of-life, khối lượng theo mg/cm2 hay datasheet chi tiết tương đương các sản phẩm IMM trước. Đây là những dữ kiện cần có trước khi có thể so Apex một cách đầy đủ với các cell germanium đang dùng trên thị trường.

Đây không còn là prototype trong phòng lab

Khác với nhiều nghiên cứu solar cell mới, Apex được Rocket Lab mô tả là production release và đã available. Công ty cho biết quy trình chế tạo đã được tối ưu để sản xuất ở quy mô nhiều trăm kilowatt, thay vì chỉ ở mức wafer thử nghiệm hoặc cell đơn lẻ.

IMM cũng không phải một kiến trúc vừa xuất hiện. Công nghệ này đã được phát triển qua nhiều thế hệ, và Rocket Lab cho biết các cell IMM trước từng cấp điện cho trực thăng Ingenuity của NASA trên Sao Hỏa và đã hoạt động trên vệ tinh hơn một thập kỷ. Tuy nhiên, flight heritage của họ công bố là cho dòng công nghệ IMM nói chung; thông báo mới chưa cho thấy chính phiên bản Apex đã tích lũy thời gian hoạt động trên quỹ đạo.

Bài kiểm tra tiếp theo vì thế không còn là chứng minh một cell germanium-free có thể hoạt động hay không. Những câu hỏi thực tế hơn là Apex sẽ giữ được bao nhiêu công suất sau nhiều năm bức xạ, giá trên mỗi watt so với cell Ge hiện tại ra sao, tỷ lệ yield ở sản xuất khối lượng lớn thế nào và mức giảm khối lượng cell sẽ chuyển thành bao nhiêu phần trăm ở cấp solar array hoàn chỉnh.

Nguồn: Rocket Lab, 8/9/2026; U.S. Geological Survey — Mineral Commodity Summaries 2026; NASA/JPL — Solar Power Technologies for Future Planetary Science Missions; ESA — IMaGer VI.