Pin mặt trời hữu cơ
Trong một công trình nghiên cứu, các nhà khoa học của Đại học Michigan ở Ann Arbor Mỹ đã thiết kế pin mặt trời mới, có thể hoạt động với hiệu suất cao trong vòng 30 năm.
Theo Yongxi Li, trợ lý nghiên cứu khoa học tại Đại học Michigan, công nghệ này sẽ thay đổi tương lai của các tòa nhà. Nếu tất cả các tòa nhà có hệ thống pin điện mặt trời trong suốt này, tòa nhà có thể tự cung cấp năng lượng.
Một tấm pin mặt trời trong suốt của nhóm nghiên cứu đại học Michigan.
Các tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ sử dụng những hợp chất trên cơ sở carbon của vật liệu bán dẫn, được in bằng mực hoặc được phủ thành các lớp siêu mỏng lên lớp nền nhựa trong suốt. Những vật liệu này hấp thụ các photon trong vùng hồng ngoại gần của quang phổ ánh sáng, chiếm phần lớn năng lượng ánh sáng mặt trời. Những tế bào năng lượng mặt trời thông thường sử dụng chất bán dẫn silicon có thể thu được nhiều photon hơn, hiệu quả cao hơn trong chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Nhưng những tế bào silicon dày hơn và mờ đục, không phù hợp cho cửa sổ hoặc kính tòa nhà.
Ban đầu, nhóm nhà khoa học của Yongxi Li thiết kế một pin mặt trời hữu cơ với chất hấp thụ không fullerene (phân tử carbon hình cầu). Những vật chất đó nằm trong các phân tử chuyển điện tử do ánh sáng tạo ra đến các điện cực. Sử dụng điện cực làm bằng oxit thiếc indium, các nhà nghiên cứu tạo được pin mặt trời trung tính màu với hiệu suất 8,1%, một kỷ lục đối với thiết kế pin mặt trời hữu cơ. Hoán đổi điện cực bằng oxit bạc làm tăng hiệu suất của tế bào lên 10,1%, nhưng phiên bản này có màu xanh lục không mong muốn.
Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng, hiệu quả kỷ lục này không duy trì được lâu. Ông Li cho biết, những chất hấp thụ không fullerene có các liên kết yếu, dễ phân ly dưới ánh sáng cực tím hoặc các bức xạ năng lượng cao khác. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy, hiệu suất của tế bào hữu cơ giảm xuống dưới 40% giá trị ban đầu trong vòng 12 tuần, khi được chiếu bằng ánh sáng mặt trời.
Duy trì được 94% hiệu suất ban đầu
Nhóm nghiên cứu bao gồm các kỹ sư tại Đại học Bang North Carolina ở Raleigh, Đại học Thiên Tân và Đại học Chiết Giang ở Trung Quốc đã ứng dụng nhiều giải pháp khác nhau để giải quyết khó khăn này.
Để ngăn chặn tia cực tím có hại và giữ cho liên kết vật liệu không bị phá vỡ, các kỹ sư thêm một lớp kẽm oxit đơn giản lên mặt trên của pin mặt trời đối diện với ánh sáng mặt trời.
Tiếp theo, nhóm nghiên cứu xác định, hầu hết sự suy giảm của pin mặt trời xảy ra trên bề mặt phân cách giữa vật liệu hữu cơ và vô cơ. Thêm các "lớp đệm" siêu mỏng vật liệu gốc carbon, các nhà khoa học ngăn chặn được những biến đổi hóa học và cải thiện độ ổn định của pin.
Sau đó, các thiết bị pin mặt trời diện tích nhỏ, kích thước khoảng 0,1cm2 được chiếu xạ ở các mức độ ánh sáng khác nhau. Thông thường, trên mỗi m2 bề mặt Trái đất có gần 1.000W năng lượng mặt trời. Trong quang phổ tiêu chuẩn, độ chiếu sáng của một mặt trời được xác định là bức xạ 100 milliwatt/cm2 .
Nhóm kỹ sư chiếu xạ pin bằng ánh sáng mặt trời trong 1.900 giờ, tăng lượng ánh sáng mặt trời lên 27 lần với nhiệt độ tới 65°C, tế bào vẫn duy trì được 94% hiệu suất ban đầu.
Ông Li cho biết, nhóm nghiên cứu tại Michigan đang phát triển một cửa sổ năng lượng mặt trời "mini" rộng 15cm2 để thử nghiệm, xác định các lớp bảo vệ và lớp đệm có thể giữ cho vật liệu không bị suy thoái ở quy mô lớn hơn hay không. Khó khăn chính là khi lớp pin mặt trời hoạt động với diện tích càng rộng thì càng có nhiều khả năng xuất hiện các khuyết tật vì vậy cần xác định phương pháp tạo ra một diện tích pin đồng đều.
