ANH – Một nhóm nghiên cứu quốc tế dẫn đầu bởi các nhà khoa học từ đại học College London (UCL – university College London), đã phát triển thành công loại tế bào quang điện thế hệ mới với độ bền cao, có khả năng hấp thụ hiệu quả năng lượng từ ánh sáng trong nhà. Thành tựu này mở ra triển vọng giúp các thiết bị như bàn phím, điều khiển từ xa, hệ thống báo động và cảm biến sớm hoạt động mà không cần dùng pin.

Phó Giáo sư Mojtaba Abdi Jalebi và nghiên cứu sinh Siming Huang bên các tế bào quang điện được tối ưu hóa cho ánh sáng trong nhà

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng perovskite (*), một loại vật liệu đang dần phổ biến trong các tấm pin năng lượng mặt trời được lắp đặt ngoài trời. Khác với pin năng lượng mặt trời silicon truyền thống, vật liệu perovskite có tiềm năng ứng dụng vượt trội trong môi trường thiếu sáng nhờ khả năng tùy chỉnh cấu trúc để hấp thụ chính xác các bước sóng đặc thù của ánh sáng nhân tạo.
(*) Perovskite: là tên gọi của một nhóm vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc biệt. Cấu trúc này được mô tả chung là ABX3, trong đó A, B là các ion kim loại, X thường là oxy hoặc nguyên tố thuộc nhóm halogen. Cấu trúc này tạo ra những tính chất đặc biệt như dẫn điện tốt, hoạt tính quang học mạnh, dễ điều chỉnh công thức hóa học, … từ đó tạo nên tiềm năng ứng dụng cao cho vật liệu.

Trở ngại lớn nhất của vật liệu perovskite nằm ở các khiếm khuyết siêu nhỏ trong cấu trúc tinh thể, hay còn gọi là “trap”. Những khiếm khuyết này khiến các điện tử (electron) bị kẹt lại trước khi năng lượng của chúng kịp được khai thác, không chỉ làm gián đoạn dòng điện mà còn đẩy nhanh quá trình xuống cấp của vật liệu theo thời gian.

Các tấm tế bào quang điện được tối ưu hóa cho ánh sáng trong nhà

Trong một dự án nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials, nhóm chuyên gia đã mô tả phương pháp sử dụng tổ hợp các hóa chất để giảm thiểu các “trap” này, từ đó hiện thực hóa khả năng thương mại hóa pin năng lượng mặt trời perovskite dùng trong nhà.

Theo nhóm nghiên cứu, các tế bào quang điện Perovskite do họ chế tạo có những ưu điểm đột phá: Hiệu suất, cao gấp 6 lần so với các loại tế bào quang điện trong nhà tốt nhất đang có mặt trên thị trường; Độ bền, có thể hoạt động ổn định trong năm năm hoặc lâu hơn, vượt xa tuổi thọ chỉ vài tuần hoặc vài tháng của các mẫu thử nghiệm trước đây.

Tiến sĩ Mojtaba Abdi Jalebi, phó Giáo sư tại khoa khám phá vật liệu thuộc đại học UCL, chia sẻ: “Hàng tỷ thiết bị tiêu thụ năng lượng thấp hiện nay đang phụ thuộc vào việc thay pin, một quy trình không bền vững, nhất là khi mạng lưới internet vạn vật (IoT – internet of things) ngày càng mở rộng. Tế bào quang điện perovskite của nhóm nghiên cứu không chỉ thu được năng lượng hiệu quả hơn mà còn bền bỉ hơn, mở đường cho kỷ nguyên thiết bị điện tử vận hành hoàn toàn bằng ánh sáng trong nhà.”

Nhóm nghiên cứu đã thảo luận với các đối tác công nghiệp để tìm hướng sản xuất ở quy mô lớn. Ưu điểm lớn nhất của công nghệ này là chi phí thấp, sử dụng nguồn nguyên liệu dồi dào trên trái đất và quy trình xử lý đơn giản. Thậm chí, chúng có thể được sản xuất bằng phương pháp in ấn tương tự như in tạp chí.

Khám phá này đã giải quyết triệt để vấn đề về mật độ “trap” cao tại các lớp tiếp xúc của tế bào quang điện (vốn là nguyên nhân gây thất thoát năng lượng dưới dạng nhiệt trong các nghiên cứu trước đây) hứa hẹn một tương lai xanh hơn cho các thiết bị điện tử gia dụng.

Tế bào quang điện được tối ưu hóa cho ánh sáng trong nhà

Để đạt được những bước tiến này, nhóm nghiên cứu đã đưa vào cấu trúc vật liệu perovskite hợp chất rubidium chloride. Chất này đóng vai trò thúc đẩy các tinh thể perovskite phát triển đồng nhất hơn với mức độ biến dạng tối thiểu, từ đó giảm đáng kể mật độ các “trap” năng lượng.

Bên cạnh đó, hai loại muối amoni hữu cơ là Dmoai và Peaci cũng được bổ sung nhằm ổn định các ion iodide và bromide. Sự kết hợp này ngăn chặn hiện tượng các ion dịch chuyển và tích tụ thành các pha riêng biệt, một tác nhân vốn làm gián đoạn dòng điện và gây suy giảm hiệu suất của tế bào quang điện theo thời gian.

Nghiên cứu sinh Siming Huang, tác giả chính của nghiên cứu tại khoa khám phá vật liệu thuộc đại học UCL, chia sẻ: “Tế bào quang điện với những khiếm khuyết nhỏ cũng giống như một chiếc bánh bị cắt rời thành nhiều mảnh. Bằng cách kết hợp các chiến lược hóa học, chúng tôi đã ‘gắn kết’ chiếc bánh này lại, giúp các hạt mang điện di chuyển dễ dàng hơn. Ba thành phần bổ sung đã tạo ra hiệu ứng cộng hưởng, mang lại kết quả vượt xa tổng hiệu quả của từng thành phần riêng lẻ.”

Hiệu quả của phương pháp mới đã được chứng minh qua các thử nghiệm thực tế với những thông số ấn tượng: Hiệu suất chuyển đổi kỷ lục, trong môi trường ánh sáng văn phòng (1.000 lux), các tế bào quang điện này chuyển hóa đến 37,6% năng lượng ánh sáng thành điện năng. Đây là mức hiệu suất kỷ lục đối với dòng pin perovskite tối ưu hóa cho ánh sáng trong nhà (có vùng khoảng cách năng lượng – bandgap (*) – 1,75 eV).
(*) Bandgap: có thể hình dung năng lượng của electron trong vật liệu giống như một tòa nhà có hai tầng: Tầng dưới, nơi các electron “đứng yên” trong các liên kết hóa học, không thể di chuyển tự do để tạo ra dòng điện; Tầng trên nơi các electron có đủ năng lượng để chuyển động tự do, tạo ra dòng điện. Khoảng không giữa hai tầng (bandgap), chính là “khoảng cách năng lượng”, và electron không được phép tồn tại ở đây.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm các tế bào quang điện về khả năng chống lại sự xuống cấp theo thời gian, với kết quả như sau:
– Trong điều kiện thường: sau hơn 100 ngày thử nghiệm, pin vẫn duy trì được 92% hiệu suất ban đầu, trong khi các pin không được xử lý khiếm khuyết chỉ còn giữ được 76% hiệu suất ban đầu.
– Trong thử nghiệm khắc nghiệt: khi tiếp xúc liên tục với ánh sáng cường độ cao ở nhiệt độ 55°C trong 300 giờ, loại tế bào quang điện mới vẫn bảo toàn được 76% hiệu suất, so với mức sụt giảm nghiêm trọng xuống còn 47% của mẫu thông thường.

Để xem các tin bài khác về “Quang điện”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online