Vật liệu bán dẫn nhựa hữu cơ tăng hiệu quả của pin năng lượng mặt trời

Một nhóm nhà khoa học do giáo sư hóa học Xiaoyang Zhu dẫn dắt tại Đại học Texas, Austin, Hoa Kỳ, vừa công bố phát hiện đáng chú ý về vật liệu bán dẫn nhựa hữu cơ. Vật liệu này có thể giúp tăng gấp đôi số lượng điện tử được thu hoạch từ mỗi photon ánh sáng mặt trời, mở ra hướng cải thiện hiệu quả pin năng lượng mặt trời. Kết quả nghiên cứu được đăng trên tạp chí Science, số ra ngày 16 tháng 12 năm 2011, thu hút sự quan tâm nhờ khả năng kết hợp chi phí thấp với hiệu suất cao hơn. Theo giáo sư Zhu, việc sản xuất pin mặt trời từ vật liệu bán dẫn nhựa hữu cơ vốn đã có lợi thế về chi phí so với nhiều công nghệ khác. Phát hiện mới còn giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng của loại pin này, thay vì chỉ tập trung vào giảm giá thành sản xuất. Đây là ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh công nghệ năng lượng mặt trời cần đạt hiệu quả tốt hơn để có thể phổ biến rộng rãi trên toàn cầu. Với các tấm pin mặt trời sử dụng lớp phủ silic làm chất điện quang, hiệu suất lý thuyết hiện được nêu ở mức khoảng 31%. Nguyên nhân chính nằm ở phần lớn năng lượng mặt trời đến tấm pin dưới dạng các điện tử nóng, nhưng không thể chuyển hóa thành điện năng sử dụng. Phần năng lượng dư thừa ấy bị mất dưới dạng nhiệt, khiến hiệu quả khai thác ánh sáng mặt trời bị giới hạn đáng kể trong những thiết bị thông thường. Nếu có thể tận thu các điện tử nóng thay vì để chúng tiêu tán thành nhiệt, hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng về lý thuyết có thể tăng lên tới 66%. Đây là lý do các nhà nghiên cứu nhiều năm tìm kiếm cơ chế giữ lại, kiểm soát và chuyển đổi phần năng lượng vốn thường bị lãng phí này. Thành công với vật liệu bán dẫn nhựa hữu cơ có thể tạo thêm lựa chọn thực tế bên cạnh những cấu trúc bán dẫn phức tạp hơn. Trong nghiên cứu đăng trên Science năm 2010, nhóm của giáo sư Zhu từng chứng minh rằng các điện tử nóng có thể được tận thu bằng những tinh thể nano bán dẫn. Tuy nhiên, cách tiếp cận đó chưa thật sự khả thi khi đưa vào ứng dụng thực tế, do yêu cầu về cấu trúc vật liệu và quy trình chế tạo còn nhiều hạn chế. Nhóm nghiên cứu sau đó chuyển hướng tìm kiếm một cơ chế đơn giản hơn, phù hợp hơn với các loại pin làm từ vật liệu bán dẫn nhựa hữu cơ. Kết quả mới cho thấy một photon có thể tạo ra một trạng thái lượng tử tối, được gọi là “shadow state”, trong vật liệu bán dẫn nhựa hữu cơ. Trạng thái này giúp bắt giữ đồng thời hai điện tử, thay vì chỉ thu được một điện tử từ mỗi photon như cách khai thác thông thường. Khả năng nhân đôi số điện tử thu hoạch được tạo nền tảng cho việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời. Theo giáo sư Zhu, cơ chế khai thác năng lượng mặt trời mới có thể nâng hiệu suất sử dụng pin mặt trời lên tới 44%. Mức hiệu suất này đạt được mà không cần tập trung chùm tia mặt trời, một yêu cầu thường làm hệ thống năng lượng mặt trời trở nên phức tạp và kém thuận tiện. Nếu công nghệ được phát triển tiếp, pin mặt trời từ vật liệu bán dẫn nhựa hữu cơ có thêm cơ hội được sử dụng phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới. Tiến sĩ thực tập Wai-lun Chan chịu trách nhiệm chính trong nghiên cứu, với sự hỗ trợ của các tiến sĩ thực tập Manuel Ligges, Askat Jailaubekov, Loren Kaake và Luis Miaja-Avila. Công trình nhận tài trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, cho thấy sự phối hợp giữa nghiên cứu cơ bản và mục tiêu phát triển năng lượng sạch. Phát hiện về trạng thái “shadow state” vì thế không chỉ bổ sung hiểu biết khoa học, mà còn gợi mở hướng cải tiến pin mặt trời chi phí thấp trong tương lai.