Mỹ: Phát minh giải pháp tăng hiệu suất pin mặt trời vượt giới hạn lý thuyết

Kết quả nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Nature, trong một bài báo của sinh viên tốt nghiệp Markus Einzinger, giáo sư hóa học Moungi Bawendi, giáo sư kỹ thuật điện và khoa học máy tính Marc Baldo, và tám nhà nghiên cứu khác thuộc MIT và Đại học Princeton.

Khái niệm cơ bản của công nghệ mới này được biết đến trong nhiều thập kỷ và đã được nhóm nghiên cứu thuộc MIT và Đại học Princeton thực hiện từ 6 năm trước, chứng minh rằng nguyên tắc có thể hoạt động được. Nhưng để hiện thực hóa phương pháp thành pin mặt trời silicon hoạt động đầy đủ, cần phải mất nhiều năm.

Sơ đồ quá trình phân hạnh 1 gói kích thích của một photon có năng lượng cao, do các nhà khoa học thực hiện để đẩy 2 điện tử khỏi tế bào silicon.

15 năm trước, TS Daniel Congreve, cựu sinh viên của Viện Rowland tại Harvard đã có một bản báo cáo về những nghiên cứu ban đầu, chứng minh rằng có thể tách được hai electron bằng một photon, nhưng thí nghiệm được thực hiện với một tế bào quang điện hữu cơ, kém hiệu quả hơn so với pin mặt trời silicon.

GS kỹ thuật điện và khoa học máy tính Marc Baldo nhận xét:  Hóa ra, việc dịch chuyển hai electron từ lớp hấp thụ bề mặt, làm bằng tetracene vào các pin silicon không đơn giản. Troy Van Voorhis, giáo sư hóa học tại MIT, thành viên của nhóm nói: khái niệm này được đề xuất lần đầu tiên vào những năm 1970 và cho biết, biến ý tưởng đó thành một thiết bị thực tế cần phải mất đến 40 năm.

Chìa khóa để năng lượng của một photon có thể tách hai electron nằm trong một lớp vật liệu mang trạng thái kích thích, được gọi là exciton, Baldo nói: Trong các vật liệu kích thích này, các gói năng lượng này lan truyền xung quanh giống như các electron trong mạch điện, nhưng với tính chất khác hoàn toàn so với điện tử (electron).

Có thể sử dụng chúng làm thay đổi năng lượng - có thể cắt các gói ra làm đôi, cũng có thể kết hợp lại. Trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu thực hiện một quá trình, gọi là phân hạch exciton, đó là gói năng lượng photon được tách thành hai gói năng lượng riêng biệt di chuyển. Đầu tiên vật liệu hấp thụ một photon, tạo thành một exciton, được phân hạch thành hai gói trạng thái kích thích, mỗi gói có một nửa của năng lượng ban đầu.

Nhưng phần khó khăn sau đó là di chuyển gói năng lượng đó vào silicon, một vật liệu không có tính kích thích. Việc dịch chuyển này chưa bao giờ được thực hiện trước đây.

Để thực hiện một bước trung gian, nhóm nghiên cứu thử ghép lớp năng lượng kích thích vào một lớp vật liệu khác gọi là chấm lượng tử. “Lớp này vẫn có tính kích thích, nhưng lại là chất vô cơ”, ông Baldo nói. Nhờ lớp trung gian này, pin mặt trời làm việc.

Nhà khoa học Van Voorhis phân tích: “Những thực nghiệm cho thấy, chìa khóa của sự truyền tải năng lượng này nằm ở chính bề mặt vật liệu chứ không phải trên khối lượng lớn. Vì vậy, rõ ràng là tính chất hóa học lớp bề mặt silicon vô cùng quan trọng quan trọng. Điều đó có nghĩa là cần phải xác định loại trạng thái hóa học bề mặt silicon. Sự tập trung vào tính chất hóa học bề mặt là điều cho phép nhóm nghiên cứu này thành công trong khi các nhóm nghiên cứu khác không có kết quả.”

“Chìa khóa kết quả thực nghiệm nằm trong lớp trung gian mỏng. Lớp vật liệu mỏng dính này nằm trên giao diện giữa hai hệ thống vật liệu (pin mặt trời silicon và lớp tetracene với đặc tính kích thích ) giải quyết mọi vấn đề còn lại. Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu khác không thể làm cho chu trình này hoạt động như ý và tại sao cuối cùng nhóm nghiên cứ MIT đã làm được. Đó là nhà khoa học Einzinger, người cuối cùng đã bẻ khóa vấn đề tưởng như không thể giải quyết này, bằng cách sử dụng lớp vật liệu có tên gọi là hafnium oxynitride,” Van Voorhis cho biết.

Ông Baldo nhấn mạnh: lớp vật liệu trung gian có cấu trúc chỉ vài nguyên tử độ dày, khoảng 8 angstroms (mười phần tỷ mét), nhưng hoạt động như một cầu nối tuyệt vời đối với các lớp vật liệu kích khích (exciton). Cấu trúc này cuối cùng đã tạo điều kiện cho các photon năng lượng cao kích hoạt giải phóng hai electron trong tế bào silicon.

Kết quả này tạo ra hiệu năng gấp đôi từ một lượng ánh sáng mặt trời nhất định trong phần quang phổ màu xanh lam và xanh lá cây. Ban đầu, cấu trúc này có thể tạo ra sự gia tăng năng lượng của pin mặt trời - từ mức tối đa 29,1%, lên đến mức tối đa khoảng 35% theo lý thuyết.

Các tế bào silicon thực tế vẫn chưa được khai thác ở mức tối đa và cũng không phải là vật liệu mới, vì vậy kết quả thực nghiệm này cần phải phát triển xa hơn, nhưng bước quan trọng nhất là ghép hai vật liệu để tạo ra một tấm pin mặt trời hiệu quả hơn đã được chứng minh.

Các nhà khoa học Mỹ xác định được một tính chất đặc biệt của hafnium oxynitride đó là khả năng truyền năng lượng kích thích. Ông Einzinger bình luận: “Chúng tôi biết rằng hafnium oxynitride hình thành một lớp bề mặt bổ sung cho giao diện pin silicon, làm giảm tổn thất bằng quá trình thụ động điện trường. Nếu chúng ta có thể thiết lập sự kiểm soát tốt hơn với hiệu ứng này, hiệu quả pin điện mặt trời có thể còn tăng cao hơn nữa. Cho đến nay, không có vật liệu nào khác đã thử nghiệm có những tính chất tương tự”.

Nhóm nghiên cứu nhận định: Chúng tôi cần tối ưu hóa các tế bào silicon cho quá trình này. Nhưng có điều chắc chắn, với hệ thống hấp thụ ánh sáng mặt trời mới, các tế bào silicon có thể mỏng hơn các phiên bản pin mặt trời hiện tại. Ngoài ra, cũng cần ổn định vật liệu để đảm bảo độ bền và tăng thời gian khai thác sử dụng. Về cơ bản, chuyển cấu trúc mới từ nghiên cứu đến thương mại có thể cần vài năm nữa.

Các cách tiếp cận khác để cải thiện hiệu quả của pin mặt trời có thể tăng cường thêm một lớp vật liệu mới, chẳng hạn như một lớp perovskite trên silicon. Ông Baldo cho biết: “ Các nhà chế tạo thường ghép một tế bào silicon lên trên một tế bào khác. Nhưng về cơ bản, chúng tôi tạo ra một tế bào –tế bào silicon tăng cường hiệu năng. Chúng tôi có thể thêm loại vật liệu khác vào silicon, vẫn duy trì một tế bào quang điện chứ không phải tạo ra hai tế bào.

Nghiên cứu thực hiện tại Trung tâm Excitonics MIT, được Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ.