Chất liệu nano mới: Tương lai của năng lượng mặt trời

Trong cuộc đua biến các pin thu năng lượng mặt trời trở nên rẻ hơn và hiệu quả hơn, nhiều nhà nghiên cứu và những công ty đang mong đợi vào cấu trúc nano có kích cỡ một phần tỷ của mét. Sử dụng công nghệ nano, các nhà khoa học có thể thí nghiệm và kiểm soát cách thức sản sinh, thu thập, vận chuyển và lưu trữ những gốc electron tự do có vai trò quan trọng trong quá trình chuyển từ ánh mặt trời thành điện năng.

Hai phương pháp vận hành pin năng lượng mặt trời sử dụng công nghệ nano hứa hẹn khả năng thành công cao. Một phương pháp sử dụng những tấm phim mỏng từ những phân tử oxide kim loại nano, như titanium dioxide, kết hợp với những thành tố khác như nitrogen. Một phương pháp khác sử dụng các tinh thể nano lượng tử có khả năng hút sáng mạnh. Những vi bán dẫn đẩy electron vào một tấm màng oxide kim loại, hay còn gọi là “kích sáng” nó nhằm tăng cường quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời. Cả hai phương pháp đểu đẩy mạnh khả năng hấp thụ ánh sáng của các chất liệu oxide kim loại.

Jin Zhang - giảng viên hóa học tại Đại học California, Santa Cruz (Ảnh: T. Stephens)

Theo Jin Zhang - giảng viên hóa học tại Đại học California, Santa Cruz, kết hợp cả hai phương pháp này sẽ tạo ra những chất liệu pin năng lượng mặt trời tốt hơn so với chỉ dùng một trong hai cách. Zhang là trưởng nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà khoa học từ California, Mexico và Trung Quốc đã tạo ra một lớp phim mỏng tráng nitrogen và kích sáng bằng những đốm lượng tử.

“Chúng tôi đã phát hiện một phương thức mới có thể rất hữu ích để cải thiện quá trình chuyển đổi của pin năng lượng mặt trời dựa vào vật liệu nano. Đầu tiên, chúng tôi cho rằng kết quả tổng của hai phương pháp riêng biệt sẽ tốt nhất và có thể kết hợp lại sẽ không thành công nhưng thật ngạc nhiên là vật liệu mới này tốt hơn rất nhiều.”

Công trình nghiên cứu của nhóm được trình bày trên tạp chí Physical Chemistry trong một bản báo cáo đăng trực tuyến ngày 4 tháng 1. Tác giả chính của bản báo cáo là Tzarara Lopez-Luke, một nghiên cứu sinh đến thăm phòng thí nghiệm của Zheng, hiện đặt tại Instituto de Investigaciones Metalurgicas, Mexico.

Nhóm nghiên cứu của Zhang xác định đặc tính của vật liệu nhựa nano bằng rất nhiều công cụ như kính hiển vi lực nguyên tử, kính hiển vi chuyển đổi electron, phương pháp quang phổ Raman và các kỹ thuật khác sử dụng điện hóa. Nhóm đã tạo ra những tấm phim có độ dày từ 150 đến 1100 nanomet, với các phân tử titanium dioxide có kích cỡ trung bình 100 nanomet. Nhóm cũng nhúng lưới titanium dioxide vào nguyên tử nitrogen; đối với lớp phim này, họ sử dụng liên kết hóa học những đốm lượng tử làm từ cadmium selenide để kích sáng.

Vật liệu lai tạo mới này có rất nhiều lợi ích. Nitrogen khiến các vật liệu này hấp thụ nhiều loại năng lượng ánh sáng bao gồm năng lượng từ vùng hữu hình của phổ điện từ. Điểm lượng tử cũng tăng cường hấp thụ ánh sáng hữu hình, tăng cường dòng điện và quá trình chuyển hóa năng lượng của vật liệu. Khi tiến hành so sánh với những vật liệu khác chỉ nhúng nitrogen hoặc chỉ được thêm vào những điểm lượng tử cadmium selenide thì loại nhựa nano kết hợp cả hai cho thấy công năng cao hơn hẳn, theo công thức tính hiệu suất chuyển đổi lượng tử ánh sáng tới thành dòng điện (IPCE). Chỉ số IPCE của nhựa nano cao hơn gần 3 lần so với tổng chỉ số IPCE của hai vật liệu riêng biệt.

Zhang giải thích: “Chúng tôi nghĩ rằng điện tích dễ dàng di chuyển qua vật liệu này. Điều đó chỉ có thể xảy ra nếu điểm lượng tử kích sáng và nitrogen hoạt động cùng một lúc.”

Vật liệu nanocomposite không chỉ được dùng để cải thiện pin năng lượng mặt trời mà còn có thể hữu dụng trong công nghệ năng lượng. Một trong những mục tiêu lâu dài của Zhang là kết hợp một loại pin năng lượng mặt trời hiệu suất cao vơi pin điện hóa công nghệ cao. Về mặt lý thuyết, một thiết bị như thế có thể sử dụng năng lượng sản sinh từ ánh mặt trời để tách nước và cho ra đời năng lượng hydro. Nanocomposite cũng có thể được dùng để chuyển đổi CO₂ thành năng lượng hydrocacbon như mê-tan.

Phương pháp chế tạo vật liệu pin năng lượng mặt trời mới hứa hẹn một hướng nghiên cứu mới cho phòng thí nghiệm của Zhang trong nhiều năm tới. “Công trình mới chỉ khởi đầu và còn rất nhiều khâu chúng tôi phải thực hiện. Chúng tôi đã có 3 loại vật liệu để tiến hành nghiên cứu cho đến khi đạt được mức năng lượng mong muốn.”

Thực chất, nhóm đang thử nghiệm nhân các loại vật liệu để khi ánh mặt trời chiếu vào, những electron tự do sinh ra có thể dễ dàng di chuyển từ một mức năng lượng lên một mức khác hoặc giữa các loại vật liệu khác nhau và cuối cùng đươc chuyển thành điện một cách hiệu quả. Zhang phát biểu: “Phương pháp chúng tôi đang thực hiện thực ra là tăng mức năng lượng của nanocomposite lên để các electron có thể hoạt động sinh điện tốt hơn. Nếu thử nghiệm của chúng tôi thành công thì chúng tôi đang ứng dụng rất hiệu quả phương pháp này.”

Từ khóa liên quan: