Các nhà khoa học tại Đại học New South Wales (UNSW) Sydney đang có nghiên cứu mang tính đột phá với năng lượng mặt trời, bằng cách khai thác gấp đôi năng lượng từ một hạt ánh sáng duy nhất. Khám phá của họ có thể giúp tấm pin mặt trời vượt qua giới hạn hiệu suất bấy lâu nay.
Hầu hết tấm pin mặt trời ngày nay đều làm từ silicon, vật liệu đã được chứng minh và có giá thành rẻ. Tuy nhiên, hiệu suất của silicon cũng có giới hạn, tốt nhất chỉ chuyển đổi khoảng 27% ánh sáng mặt trời thành điện năng. Giới hạn lý thuyết là 29,4%, còn phần lớn năng lượng mặt trời mất dưới dạng nhiệt.
Trong một nghiên cứu gần đây, nhóm nghiên cứu của UNSW, được gọi là Omega Silicon, đặt mục tiêu thay đổi điều đó thông qua quá trình gọi là phân hạch đơn. Trong đó, một hạt ánh sáng đơn lẻ – một photon – phân tách thành hai gói năng lượng, giúp tăng gấp đôi sản lượng đầu ra.
Phần lớn năng lượng từ ánh sáng trong pin mặt trời bị lãng phí dưới dạng nhiệt, mà bản thân nhiệt cũng là một dạng năng lượng, theo Tiến sĩ Ben Carwithen, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Khoa hóa học của UNSW. Nhóm nghiên cứu đang tìm cách tận dụng năng lượng lãng phí đó và biến nó thành điện năng.
Phân hạch đơn là một giải pháp vượt qua rào cản đó. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào một số vật liệu hữu cơ nhất định, một photon năng lượng cao có thể tạo ra hai sự kích thích năng lượng thấp hơn. Do đó, hai gói năng lượng hữu ích được tạo ra, thay vì chỉ một.
Giáo sư Ned Ekins-Daukes, trưởng nhóm dự án và là Trưởng khoa kỹ thuật quang điện và năng lượng tái tạo của UNSW, cho biết việc đưa phân hạch đơn vào tấm pin mặt trời silicon sẽ giúp tăng hiệu suất của nó. Nó cho phép một lớp phân tử cung cấp thêm dòng điện cho tấm pin.
Cho đến nay, thách thức là tìm ra vật liệu phù hợp. Các nghiên cứu trước đây của các nhóm khác sử dụng hợp chất gọi là tetracene, cho kết quả tốt trong phòng thí nghiệm, nhưng khi thực hiện ngoài phòng thí nghiệm, nó bị phân hủy trong không khí và độ ẩm nên không thể áp dụng thực tế.
Nhóm nghiên cứu của UNSW phát hiện một hợp chất gọi là DPND (dipyrrolonaphthyridinedione), có thể thực hiện cùng chức năng tương tự mà vẫn giữ được tính ổn định trong điều kiện thực tế ngoài trời.
Khám phá này được xây dựng dựa trên hơn một thập kỷ nghiên cứu cơ bản do Giáo sư Tim Schmidt, Trưởng khoa hóa học của UNSW, dẫn đầu. Nhóm của ông là nhóm đầu tiên trên thế giới sử dụng từ trường để điều khiển ánh sáng phát ra và theo dõi quá trình phân hạch đơn diễn ra ở cấp độ phân tử.
Hiểu được cơ chế vật lý cơ bản này, các nhà nghiên cứu có thể thiết kế vật liệu và cấu trúc lớp tốt hơn để làm cho hiệu ứng hiệu quả hơn. Giáo sư Schmidt cho biết, màu sắc ánh sáng khác nhau mang theo năng lượng khác nhau. Ánh sáng xanh lam có nhiều năng lượng hơn, nhưng phần lớn năng lượng đó bị mất dưới dạng nhiệt trong pin mặt trời thông thường.
Với phân hạch đơn, năng lượng dư thừa đó có thể chuyển đổi thành điện năng hữu ích. Công nghệ mới hoạt động bằng cách thêm lớp hữu cơ siêu mỏng lên trên cùng của pin silicon thông thường. Về nguyên tắc, chỉ cần phủ thêm một lớp lên trên cấu trúc hiện có, theo Tiến sĩ Carwithen.
Giới hạn hiệu suất lý thuyết cho tấm pin mặt trời sử dụng phân hạch đơn là khoảng 45%, bước tiến vượt bậc so với công nghệ hiện tại. Nhưng đạt được tới 30% đã là một điều tuyệt vời, Tiến sĩ Carwithen cho biết. Dĩ nhiên chúng ta hy vọng có thể đạt được một giới hạn cao hơn.
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi chương trình năng lượng mặt trời chi phí cực thấp của Cơ quan năng lượng lái tạo Australia (ARE), với mục tiêu đạt được các tấm pin có hiệu suất trên 30% với giá dưới 30 cent/watt vào năm 2030.
Bảy công ty lớn về năng lượng mặt trời hiện đang theo dõi tiến độ của nhóm nghiên cứu tại UNSW. Tiến sĩ Carwithen cho biết, có các đối tác trong ngành đang chờ đợi. Họ sẵn sàng hỗ trợ thương mại hóa dự án này nếu nhóm có thể chứng minh nó hoạt động hiệu quả trong phòng thí nghiệm. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí ACS Energy Letters.
