Trong bất kỳ pin mặt trời được chế tạo bằng silicon thông thường nào đều có giới hạn tuyệt đối về hiệu suất tổng thể. Dựa trên thực tế là mỗi photon ánh sáng chỉ có thể đánh bật một electron, ngay cả khi photon đó mang gấp đôi năng lượng cần thiết. Mới đây các nhà khoa học Mỹ đã phát minh ra giải pháp tăng hiệu suất pin Mặt Trời vượt giới hạn lý thuyết. 

Công trình mất nhiều thời gian để hoàn thành

Kết quả nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Nature. Đây là thành tựu của cả một tập thể gồm sinh viên Markus Einzinger, GS. hóa học Moungi Bawendi, GS. kỹ thuật điện và khoa học máy tính Marc Baldo. Đồng thời còn có sự tham gia của 8 nhà nghiên cứu khác thuộc MIT và Đại học Princeton. Nghiên cứu thực hiện tại Trung tâm Excitonics MIT và được Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ.

Khái niệm cơ bản của công nghệ mới này đã được biết đến trong nhiều thập kỷ. Nó đã được nhóm nghiên cứu thuộc MIT và Đại học Princeton thực hiện từ 6 năm trước. Nhưng để hiện thực hóa phương pháp thành pin mặt trời silicon hoạt động đầy đủ cần phải mất nhiều năm.

15 năm trước, TS. Daniel Congreve, cựu sinh viên của Viện Rowland tại Harvard đã có một bản báo cáo về những nghiên cứu ban đầu. Báo cáo này chứng minh rằng có thể tách được 2 electron bằng 1 photon. Tuy nhiên khi đó thì nghiệm được thực hiện với một tế bào quang điện hữu cơ. Vì vậy nó kém hiệu quả hơn so với pin mặt trời silicon.

GS. Marc Baldo nhận xét:  “Hóa ra, việc dịch chuyển 2 electron từ lớp hấp thụ bề mặt làm bằng tetracene vào các pin silicon là không đơn giản”. Troy Van Voorhis, Giáo sư hóa học tại MIT, thành viên của nhóm này cũng cho biết khái niệm này được đề xuất lần đầu tiên vào những năm 1970. Ông cho rằng việc biến ý tưởng đó thành hiện thực cần đến 40 năm.

Marc Baldo

Nguyên tắc hoạt động của giải pháp tăng hiệu suất pin mặt trời

Chìa khóa để năng lượng của một photon có thể tách 2 electron nằm trong một lớp vật liệu mang trạng thái kích thích, được gọi là exciton. Trong các vật liệu kích thích này, các gói năng lượng này lan truyền xung quanh giống như các electron trong mạch điện. Nhưng tính chất của nó khác hoàn toàn so với điện tử (electron).

Có thể sử dụng chúng làm thay đổi năng lượng. Nghĩa là cắt các gói ra làm đôi. Cũng có thể kết hợp chúng lại. Trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu thực hiện một quá trình gọi là phân hạch exciton. Trong đó gói năng lượng photon được tách thành hai gói năng lượng riêng biệt di chuyển. Đầu tiên vật liệu hấp thụ một photon, tạo thành một exciton, được phân hạch thành hai gói trạng thái kích thích. Mỗi gói có một nửa của năng lượng ban đầu.

Sơ đồ quá trình phân hạnh 1 gói kích thích của một photon có năng lượng cao

Nhưng phần khó khăn sau đó là di chuyển gói năng lượng đó vào silicon. Hơn nữa đây lại là một vật liệu không có tính kích thích. Việc dịch chuyển này chưa bao giờ được thực hiện trước đây.

Để thực hiện một bước trung gian, nhóm nghiên cứu thử ghép lớp năng lượng kích thích vào một lớp vật liệu khác gọi là chấm lượng tử. “Lớp này vẫn có tính kích thích. Nhưng nó lại là chất vô cơ”, ông Baldo nói. Nhờ lớp trung gian này, pin mặt trời làm việc.

Chìa khóa của hiệu quả truyền tải năng lượng nằm ở bề mặt vật liệu

Nhà khoa học Van Voorhis phân tích: “Những thực nghiệm cho thấy chìa khóa của sự truyền tải năng lượng này nằm ở chính bề mặt vật liệu. Vì vậy, rõ ràng là tính chất hóa học lớp bề mặt silicon vô cùng quan trọng. Điều đó có nghĩa là cần phải xác định loại trạng thái hóa học bề mặt silicon. Sự tập trung vào tính chất hóa học bề mặt là điều cho phép nhóm nghiên cứu này thành công. Trong khi đó các nhóm nghiên cứu khác lại không có kết quả.”

Troy Van Voorhis

“Chìa khóa kết quả thực nghiệm nằm trong lớp trung gian mỏng. Lớp vật liệu mỏng dính này nằm trên giao diện giữa hai hệ thống vật liệu. Đó là pin mặt trời silicon và lớp tetracene với đặc tính kích thích. Kết cấu này sẽ giải quyết mọi vấn đề còn lại. Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu khác không thể làm cho chu trình này hoạt động như ý. Nó cũng lí giải vì sao cuối cùng nhóm nghiên cứ MIT đã làm được.”

“Lớp vật liệu trung gian có cấu trúc chỉ vài nguyên tử với độ dày khoảng 8 angstroms (mười phần tỷ mét). Tuy nhiên nó hoạt động như một cầu nối tuyệt vời đối với các lớp vật liệu kích khích (exciton). Cấu trúc này cuối cùng đã tạo điều kiện cho các photon năng lượng cao kích hoạt giải phóng hai electron trong tế bào silicon.” Ông Baldo nhấn mạnh.

Những kết quả khả quan ban đầu

Phản ứng trên đã tạo ra hiệu năng gấp đôi từ một lượng ánh sáng mặt trời nhất định trong 2 phần quang phổ. Đó là quang phổ màu xanh lam và xanh lá cây. Ban đầu, cấu trúc này có thể tạo ra sự gia tăng năng lượng của pin mặt trời. Mức tăng tối đa là từ 29,1%, lên đến khoảng 35% theo lý thuyết.

Các tế bào silicon thực tế vẫn chưa được khai thác ở mức tối đa. Đây cũng không phải là vật liệu mới. Vì vậy kết quả thực nghiệm này cần phải phát triển xa hơn. Nhưng bước quan trọng nhất là ghép hai vật liệu để tạo ra một tấm pin mặt trời hiệu quả hơn đã được chứng minh.

Các nhà khoa học Mỹ xác định được một tính chất đặc biệt của hafnium oxynitride. Đó là khả năng truyền năng lượng kích thích. Ông Einzinger bình luận: “Chúng tôi biết rằng hafnium oxynitride hình thành một lớp bề mặt bổ sung cho giao diện pin silicon. Nó làm giảm tổn thất bằng quá trình thụ động điện trường. Hiệu quả pin điện mặt trời có thể còn tăng cao hơn nữa. Đó là nếu như chúng ta có thể thiết lập sự kiểm soát tốt hơn với hiệu ứng này. Cho đến nay, không có vật liệu nào khác đã thử nghiệm có những tính chất tương tự”.

Giải pháp này cần thêm thời gian nghiên cứu

Nhóm nghiên cứu nhận định họ cần tối ưu hóa các tế bào silicon cho quá trình này. Nhưng điều chắc chắn là với hệ thống hấp thụ ánh sáng mặt trời mới, các tế bào silicon có thể mỏng hơn các phiên bản pin mặt trời hiện tại. Ngoài ra, cũng cần ổn định vật liệu để đảm bảo độ bền. Đồng thời cần tăng thời gian khai thác sử dụng. Về cơ bản, việc chuyển cấu trúc mới từ nghiên cứu đến thương mại có thể cần vài năm nữa.

Các cách tiếp cận khác để cải thiện hiệu quả của pin mặt trời có thể tăng cường thêm một lớp vật liệu mới. Chẳng hạn như một lớp perovskite trên silicon. Ông Baldo cho biết: “Các nhà chế tạo thường ghép một tế bào silicon lên trên một tế bào khác. Nhưng về cơ bản, chúng tôi tạo ra một tế bào. Đó là tế bào silicon tăng cường hiệu năng. Chúng tôi có thể thêm loại vật liệu khác vào silicon, vẫn duy trì một tế bào quang điện chứ không phải tạo ra 2 tế bào.”

Theo khoahocdoisong.vn