Các nhà nghiên cứu tại đại học Texas nói rằng có khả năng để tăng cường mức năng lượng trong từng tế bào năng lượng mặt trời bằng việc khai thác cái mà họ gọi là "trạng thái vô hình" của photon, tăng gấp đôi số lượng electron có thể thu được trong quá trình. Phát hiện này trên lý thuyết có thể tăng ...
Các nhà nghiên cứu tại đại học Texas nói rằng có khả năng để tăng cường mức năng lượng trong từng tế bào năng lượng mặt trời bằng việc khai thác cái mà họ gọi là "trạng thái vô hình" của photon, tăng gấp đôi số lượng electron có thể thu được trong quá trình. Phát hiện này trên lý thuyết có thể tăng hiệu quả tối đa các tể bào năng lượng mặt trời silicon từ 31 lên 44%.
Các nghiên cứu trước đây dưới sự chỉ đạo của nhà hóa học Xiaoyang Zhu đã cho thấy trên lý thuyết có thể đẩy mức độ hiệu quả lên đến 66% nếu các tế báo được tạo ra để khai thác “electron nóng”, năng lượng nhiệt còn lại biến mất trong khoảng một giây sau khi tế bào hút một photon. Tuy nhiên việc thu hoạch các photon từ ánh sáng mặt trời “tập trung” trong thực tế là không thể.
Nhưng phát hiện mới nhất của nhóm nghiên cứu đã tìm ra phương thức thay thế khác giúp tăng cường hiệu quả. Chất nhựa bán dẫn hữu cơ pentacene, khi hấp thụ một photon sẽ tạo ra một exciton cơ học lượng tử cùng với một multiexciton “trạng thái vô hình”. Theo cách này, một photon có thể cung cấp gấp đôi số electrons. Và quá trình này theo nhà hóa học Zhu có thể thấy mức hiệu quả năng lượng sẽ tăng đến 44% mà không cần tới tác động của chùm năng lượng tập trung.
“Nhựa bán dẫn tạo ra tế bào năng lượng mặt trời là một lợi thế vô cùng lớn vì chi phí thấp”, Zhu phát biểu: “Kết hợp với khả năng lớn trong thiết kế và tổng hợp phân tử, khám phá của chúng tôi mở ra một cánh cửa mới cho việc chuyển đổi năng lượng với hiệu quả cao”.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas vừa đưa ra một hướng tiếp cận mới, hứa hẹn nâng cao lượng điện thu được từ từng tế bào năng lượng mặt trời silicon trong tương lai. Ý tưởng tập trung vào một đặc tính đặc biệt của photon, được nhóm gọi là “trạng thái vô hình”, qua đó mở rộng số electron có thể khai thác từ một hạt ánh sáng. Nếu nguyên lý này được ứng dụng thành công, hiệu suất tối đa theo lý thuyết của tế bào năng lượng mặt trời silicon có thể tăng từ 31% lên 44%.
Photon là những hạt mang năng lượng ánh sáng, thường được xem như nguồn khởi động cho quá trình giải phóng electron bên trong tế bào quang điện. Khi một photon bị hấp thụ, năng lượng của nó có thể tạo ra các trạng thái lượng tử khác nhau, quyết định số electron cuối cùng được thu gom thành dòng điện. Phát hiện mới cho thấy một photon không nhất thiết chỉ tạo ra một electron hữu ích, mà trong điều kiện phù hợp có thể cung cấp năng lượng cho số electron gần gấp đôi.
Nghiên cứu này kế thừa các công trình trước đây do nhà hóa học Xiaoyang Zhu chỉ đạo, trong đó nhóm từng tính toán khả năng nâng hiệu suất lý thuyết lên tới 66%. Con số cao hơn xuất phát từ việc khai thác “electron nóng”, tức phần năng lượng nhiệt còn lại sau khi tế bào hấp thụ photon thay vì để năng lượng ấy thất thoát. Tuy nhiên, năng lượng này biến mất chỉ trong khoảng một giây, khiến việc thu hoạch trực tiếp các electron nóng trở thành bài toán đặc biệt khó khăn.
Một trở ngại lớn nằm ở yêu cầu tập trung ánh sáng mặt trời để thu được photon có mức năng lượng phù hợp cho quá trình khai thác nói trên. Trong điều kiện thực tế, việc tạo ra và duy trì chùm ánh sáng mặt trời tập trung như vậy không dễ dàng, nhất là khi thiết bị cần hoạt động ổn định ngoài môi trường. Vì thế, nhóm nghiên cứu chuyển sang tìm một cơ chế thay thế, không phụ thuộc vào tác động của chùm năng lượng mặt trời tập trung.
Cơ chế mới sử dụng pentacene, một loại nhựa bán dẫn hữu cơ có khả năng hấp thụ photon và tạo ra những trạng thái kích thích đặc biệt bên trong vật liệu. Sau khi hấp thụ một photon, pentacene hình thành một exciton cơ học lượng tử đồng thời tạo ra một multiexciton ở “trạng thái vô hình”. Cấu hình này mở ra khả năng phân chia năng lượng của một photon cho nhiều hạt mang điện, từ đó tăng lượng electron có thể được đưa vào quá trình tạo điện.
Theo cách giải thích của nhóm Zhu, multiexciton giữ vai trò quan trọng vì nó giúp biến năng lượng của một photon thành nguồn cung cấp cho gấp đôi số electron so với quy trình thông thường. Nói cách khác, vật liệu không cần chờ thêm photon mới để tạo ra các hạt mang điện bổ sung, mà tận dụng hiệu quả hơn năng lượng đã được hấp thụ. Đây là điểm khác biệt then chốt so với phương án khai thác electron nóng, vốn đòi hỏi quá trình thu gom cực nhanh trước khi năng lượng bị tiêu tán.
Từ cơ chế đó, Zhu cho rằng hiệu suất năng lượng có thể đạt khoảng 44% mà không cần sử dụng chùm ánh sáng mặt trời tập trung trong thực tế. Mức tăng này vẫn là dự báo theo lý thuyết, chưa đồng nghĩa mọi tấm pin thương mại có thể lập tức đạt hiệu suất tương tự. Dù vậy, kết quả cung cấp một hướng nghiên cứu rõ ràng cho việc thiết kế tế bào quang điện có khả năng khai thác nhiều electron hơn từ cùng một lượng ánh sáng.
Pentacene còn mang lại lợi thế đáng chú ý nhờ thuộc nhóm nhựa bán dẫn hữu cơ, loại vật liệu được đánh giá có chi phí thấp trong sản xuất tế bào năng lượng mặt trời. Khả năng thiết kế và tổng hợp phân tử linh hoạt của vật liệu này cũng cho phép các nhà khoa học tiếp tục điều chỉnh cấu trúc, nhằm kiểm soát tốt hơn cách photon tạo ra exciton và multiexciton. Zhu nhận định sự kết hợp giữa chi phí thấp, tính linh hoạt trong thiết kế cùng phát hiện mới đã mở ra cánh cửa cho chuyển đổi năng lượng hiệu quả cao.
