Một nhóm nghiên cứu tại Viện khoa học và công nghệ Daegu Gyeongbuk (DGIST) Hàn Quốc, đã thành công trong việc cải thiện hiệu suất của bộ hấp thụ bức xạ, thành phần quan trọng của pin betavoltaic gốc perovskite, bằng cách áp dụng kỹ thuật điều chỉnh phụ gia và kiểm soát quy trình chống tác động của dung môi.
Thông qua công nghệ này, nhóm nghiên cứu nâng cao cả hiệu suất chuyển đổi năng lượng bức xạ thành điện năng và độ ổn định lâu dài, từ đó thành công trong việc phát triển pin betavoltaic thế hệ tiếp theo đạt hiệu suất cao và khả năng hoạt động bền bỉ.
Gần đây, với các tiến bộ nhanh chóng của trí tuệ nhân tạo (AI), internet vạn vật (IoT) và công nghệ thám hiểm không gian, nhu cầu các nguồn năng lượng mới có khả năng cung cấp điện ổn định trong thời gian dài mà không cần bảo trì, ngay cả trong môi trường khắc nghiệt, ngày càng tăng.
Pin lithium-ion thông thường có một số hạn chế, chẳng hạn như tuổi thọ ngắn, nguy cơ cháy nổ, cần phải sạc và thay thế định kỳ. Pin betavoltaic được chú ý như là giải pháp thay thế để khắc phục các hạn chế này. Đây là thiết bị chuyển đổi các hạt beta (electron) phát ra trong quá trình phân rã các đồng vị phóng xạ, thành điện năng.
Pin betavoltaic có thể tự tạo ra điện năng mà không cần nguồn điện bên ngoài, tuổi thọ cực kỳ dài tùy thuộc vào chu kỳ bán rã của đồng vị và cho phép quản lý bức xạ ở mức chấp nhận được. Tuy nhiên, pin betavoltaic thông thường gặp khó khăn trong việc thương mại hóa, do hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp của vật liệu hấp thụ bức xạ.
Để giải quyết điều này, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Su-Il In tại DGIST dẫn đầu, sử dụng hạt nano carbon-14, làm nguồn bức xạ beta và dùng perovskite làm chất hấp thụ bức xạ. Đặc biệt, thông qua nghiên cứu chung với nhóm của Giáo sư Jong Hyeok Park tại Đại học Yonsei, họ đã chứng minh việc dùng methylammonium chloride làm chất phụ gia trong quá trình chế tạo perovskite và áp dụng quy trình chống dung môi gốc isopropanol đem lại hiệu quả tốt.
Thông qua quy trình này, kích thước tinh thể perovskite tăng lên đáng kể và mật độ khuyết tật bên trong giảm xuống, từ đó tạo ra môi trường mà trong đó các electron tạo ra bởi va chạm hạt beta có thể di chuyển mà không bị mất mát do tái kết hợp. Kết quả, nhóm nghiên cứu thành công trong việc tạo ra hiện tượng “thác electron” trong thực nghiệm, trong đó khoảng 400.000 electron được tạo ra trên mỗi hạt beta va chạm.
Pin betavoltaic do nhóm nghiên cứu phát triển, ghi nhận hiệu suất chuyển đổi năng lượng 10,79%. Con số này cải thiện gấp khoảng 6 lần so với hiệu suất cao nhất được báo cáo trước đây (khoảng 1,83%) đối với pin betavoltaic gốc perovskite, cho thấy thiết bị duy trì công suất đầu ra ổn định mà không bị suy giảm hiệu suất, ngay cả các thử nghiệm hoạt động liên tục kéo dài hơn 15 giờ.
Hiệu suất này được đánh giá là vượt trội so với các nghiên cứu quốc tế tương đương được báo cáo trên tạp chí Nature năm 2024. Kết quả nghiên cứu này được công bố trực tuyến trên Carbon Energy (IF 24.2), tạp chí quốc tế trong lĩnh vực chuyển đổi năng lượng và carbon.
Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng vì đây là nghiên cứu đầu tiên trên thế giới trình bày chiến lược thiết kế mới, giúp kiểm soát chính xác vật liệu và cấu trúc của chất hấp thụ bức xạ ở cấp độ nano. Từ đó nâng cao đáng kể hiệu suất, tiết kiệm chi phí và tiềm năng thương mại hóa của pin betavoltaic cùng một lúc.
Đặc biệt, nghiên cứu này chứng minh thực nghiệm khả năng chế tạo pin betavoltaic hiệu suất cao, trước đây chỉ dừng ở mức khả thi về lý thuyết. Qua đó, dự kiến có thể sử dụng chúng làm nguồn năng lượng cốt lõi trong các lĩnh vực khó thay thế pin, như thiết bị y tế cấy ghép, thiết bị thám hiểm không gian, phương tiện tự hành dựa trên trí tuệ nhân tạo.
