Pin mặt trời sắp vượt giới hạn vật lý tồn tại hơn 60 năm?

Nguồn ảnh: Thanh Niên

Thiết kế mới có thể đưa hiệu suất pin mặt trời gần 43%, nhưng hiện vẫn ở giai đoạn thử nghiệm này.

Phần lớn các tấm pin mặt trời thương mại hiện nay sử dụng tế bào quang điện đơn lớp để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện cho các nhu cầu như cung cấp điện cho nhà cửa, ô tô và thiết bị khác. Tuy nhiên, về lý thuyết Shockley-Queisser, một tế bào quang điện đơn lớp chỉ có thể chuyển đổi tối đa 33,7% ánh sáng mặt trời thành năng lượng.

Mặc dù vậy, lý thuyết được công nhận từ năm 1961 nói trên có thể sớm thay đổi khi một nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Quang học (ICFO) ở Barcelona, Tây Ban Nha, do Giáo sư Jordi Martorell dẫn đầu đã phát hiện ra cách cải thiện hiệu suất của các tế bào quang điện bằng cách hạn chế sự phát xạ photon.

Sau khi hấp thụ ánh sáng mặt trời, tế bào thường phát ra ánh sáng trở lại theo mọi hướng, dẫn đến mất mát năng lượng. Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một khoang quang học đặc biệt cho tế bào quang điện, cho phép nó tiếp nhận ánh sáng mặt trời nhưng giảm thiểu năng lượng thoát ra ngoài.

Pin mặt trời có thể đạt hiệu suất lên tới 43%

Tiến sĩ Francisco Bernal Texca, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết công trình này có thể giúp các tế bào quang điện đạt hiệu suất gần 43%. Ông nhấn mạnh thiết kế đơn giản của khoang quang không làm tăng độ phức tạp trong quá trình sản xuất, điều khác với nhiều phương pháp hiện tại được nghiên cứu.

Mặc dù phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, nhưng nếu thành công, nó có thể mang lại những cải tiến đáng kể cho hiệu suất tấm pin mặt trời, từ đó giúp giải quyết nhiều vấn đề năng lượng hiện nay. Hiện tại, nhiều tấm pin mặt trời chỉ đạt hiệu suất dưới 25%, chủ yếu do các hạn chế vật lý và vấn đề về vật liệu sản xuất hàng loạt.

Giáo sư Martorell cho biết: "Đạt được hiệu suất cao hơn là cần thiết, vì điều này sẽ dẫn đến chi phí trên mỗi watt thấp hơn và sử dụng đất đai, vật liệu hiệu quả hơn cho năng lượng mặt trời". Nếu các tấm pin mặt trời có thể hoạt động với hiệu suất 40% trở lên, nó có thể giúp nhiều hộ gia đình trở nên độc lập hơn với lưới điện.

Việc nâng cao hiệu suất tấm pin mặt trời không chỉ là một bước tiến trong công nghệ mà còn có thể thay đổi cách chúng ta sử dụng năng lượng trong tương lai.

Từ năm 1961, giới hạn Shockley-Queisser đã đặt ra trần hiệu suất lý thuyết 33,7% cho các tế bào quang điện đơn lớp thương mại, vốn hiện chỉ đạt thực tế dưới 25%. Rào cản vật lý tồn tại hơn 60 năm này đang đứng trước bước ngoặt mới nhờ nghiên cứu đột phá từ Viện Khoa học Quang học (ICFO) tại Barcelona, Tây Ban Nha. Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Jordi Martorell dẫn đầu đã tìm ra cơ chế hạn chế thất thoát năng lượng do hiện tượng tế bào tái phát xạ photon ra môi trường xung quanh. Giải pháp cốt lõi của ICFO là bổ sung một khoang quang học đặc biệt, cho phép tiếp nhận tối đa ánh sáng mặt trời nhưng ngăn chặn photon thất thoát ra ngoài. Theo tác giả chính, Tiến sĩ Francisco Bernal Texca, cấu trúc này có thể nâng hiệu suất tế bào quang điện lên mức gần 43%. Điểm sáng giá nhất của phát kiến nằm ở thiết kế tối giản, không làm tăng độ phức tạp trong quy trình sản xuất đại trà so với các công nghệ thử nghiệm khác. Dù vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm phòng thí nghiệm, công nghệ mới mở ra tiềm năng thương mại rất lớn trong việc giảm giá thành trên mỗi watt điện và tối ưu diện tích lắp đặt. Khả năng chạm ngưỡng hiệu suất trên 40% sẽ giúp các hộ gia đình chủ động tách rời phụ thuộc vào lưới điện truyền tải. Thành tựu này được kỳ vọng sẽ định hình lại phương thức khai thác năng lượng tái tạo trên quy mô toàn cầu.