Cửa sổ polymer liên hợp chuyển năng lượng đến tế bào quang điện

Công nghệ LSC tích hợp các thiết bị quang điện

Khái niệm về Thiết bị tập trung năng lượng mặt trời phát quang (LSC) được giới thiệu vào những năm 1970 và từ đó, những nghiên cứu này phát triển nhanh chóng do những tiến bộ đáng kể trong các công trình nghiên cứu về chất phát quang. Công nghệ LSC mang đến khả năng tích hợp các thiết bị quang điện (PV) vào các tòa nhà một cách thẩm mỹ và có hiệu quả.

Ví dụ, những cửa sổ đầy màu sắc trong một ngôi nhà có thể vừa thực hiện chức năng sản xuất điện vừa là một đặc điểm thiết kế khiến tòa nhà trở nên ấn tượng.

Trong một LSC điển hình, một ống dẫn sóng phát quang tập trung ánh sáng mặt trời từ một vùng lớn đến một khu vực nhỏ, giảm việc sử dụng vật liệu pin mặt trời và giảm độ nhạy với bóng râm so với pin mặt trời truyền thống.

Ánh sáng mặt trời đi vào một ống dẫn sóng (tấm kính) phát quang, bị các chất phát quang hấp thụ và chuyển đổi những photon mặt trời bước sóng ngắn thành photon mặt trời bước sóng dài. Những photon bước sóng dài chuyển đến vành đai chu vi nhờ phản xạ toàn phần bên trong và được hấp thụ bởi những tế bào quang điện PV gắn liền với các cạnh của tấm kính.

Vật liệu polymer liên hợp có những đặc tính quang học và điện tử hữu ích, do đó có nhiều ứng dụng nhưng tính linh hoạt về cấu trúc không có nhiều thông tin nghiên cứu về ứng dụng trong năng lượng mặt trời phát quang LSC.

Nhóm nhà khoa học từ Khoa Kỹ thuật Hóa học và Phân tử Sinh học thuộc Đại học Rice, Houston, Texas, Mỹ đã khảo sát một polymer liên hợp phát quang, poly (naphthalene‐ alt ‐vinylene) (PNV) dành cho LSC. 

Nhóm nghiên cứu kẹp một lớp mỏng thủy tinh hữu cơ poly(methyl methacrylate) PMMA pha tạp PNV giữa hai tấm thủy tinh acrylic trong suốt, tạo ra kính “cửa sổ” hình vuông với kích thước từ 1 - 12 inch.

Những tấm kính cửa sổ này được thử nghiệm dưới ánh sáng mặt trời trực tiếp ngoài trời và ánh sáng đi-ốt phát quang (đèn LED) khuếch tán trong nhà. PNV hấp thụ và phát ra ánh sáng đỏ, nhưng những điều chỉnh trong tương lai sẽ mang lại tiềm năng phát ra nhiều màu sắc khác nhau.

(a) Khái niệm về các LSC như những cánh cửa sổ kiểu Pháp trong một ngôi nhà. (b) Kiến trúc và cơ chế hoạt động của các LSC. (c) Kính dẫn sóng polymer liên hợp phát quang trong nghiên cứu này, cho thấy sự phát xạ cạnh ánh sáng đỏ đậm.

Tận dụng ánh sáng từ bên trong

Công suất tạo ra trong quá trình thử nghiệm thấp hơn so với các tế bào quang điện PV thương mại sử dụng ánh sáng mặt trời, nhưng ngoài việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời, nhưng những cửa sổ LSC có thể tận dụng ánh sáng từ bên trong ngôi nhà vào ban đêm.

Các nhà khoa học phát hiện được, hiệu quả thực sự cao hơn khi hấp thụ ánh sáng LED bên trong nhà (10W/m2 ± 10%) nếu so với ánh sáng mặt trời trực tiếp (1.000W/m2 ± 10%), dù ánh sáng mặt trời mạnh hơn 100 lần.

Khi được thử nghiệm dưới ánh sáng mặt trời trực tiếp ngoài trời và ánh sáng LED khuếch tán trong nhà, các LSC dựa trên PNV với kích thước 12 inch cho thấy hiệu suất chuyển đổi điện năng thứ tự là 2,9% và 3,6%. Họ cũng chứng minh tỷ lệ hấp thụ các photon ánh sáng theo thứ tự là 1,49 và 3,53.

Các nhà khoa học sử dụng mô phỏng theo dõi tia Monte Carlo để dự đoán hiệu suất của các cửa số LSC lớn với kích thước lên đến 120 in. Đối với những LSC này, dưới ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp và ánh sáng LED khuếch tán trong nhà, hiệu suất chuyển đổi điện năng dự kiến có giá trị lần lượt là 1,29% và 0,88%, tỷ lệ chuyển đổi dự kiến theo thứ tự là 6,73 và 8,62.

Công trình nghiên cứu này cho thấy được tiềm năng ứng dụng của polymer liên hợp phát quang (PNV) cho các thiết bị điện mặt trời phát quang LSC hiệu suất cao.

Các kỹ sư của Đại học Rice thiết kế và chế tạo những ô kính cửa sổ nhiều lớp chuyển hướng ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng trong nhà đến các tế bào năng lượng mặt trời dải biên (Ảnh: tiến sĩ Yilin Li/Đại học Rice, Mỹ).