Vật liệu tinh thể mới có thể gấp đôi hiệu suất pin Mặt Trời

Dù đã được quảng bá từ rất lâu về khả năng thay thế các nguồn nhiên liệu hoá thạch, nhưng cho đến nay, đóng góp của điện Mặt Trời vẫn hết sức khiêm tốn. Một trong các lý do nằm ở hiệu suất các tấm pin Mặt Trời vẫn rất thấp.

Một loại vật liệu mới vừa được các nhà nghiên cứu thuộc ĐH Purdue và Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL Mỹ) công bố cho thấy nó có khả năng tạo ra lượng điện nhiều gấp đôi so với silicon, loại vật liệu chính đang được dùng để làm các tấm pin Mặt Trời hiện nay.

Hạn chế của pin Mặt Trời silicon

Vật liệu tinh thể mới có thể gấp đôi hiệu suất pin Mặt Trời
Pin Mặt Trời silicon có hiệu suất tối đa chỉ 33%.

Hiệu suất của các pin Mặt Trời truyền thống hiện tối đa chỉ đạt được 1/3, mức được các nhà khoa học gọi là Giới hạn Shockley-Queisser. Nguyên nhân của hiện tượng này nằm ở bản chất vật lý của silicon - mức khoảng cách năng lượng (band gap) của các electron trong nguyên tử. Về cơ bản, nguyên lý của điện Mặt Trời là các electron hoá trị phải được kích thích thành electron tự do để tạo ra dòng điện tích chuyển dời có hướng (tức dòng điện). Sự kích thích này được gây ra bởi các photon nằm trong các tia sáng Mặt Trời.

Loading...

Do khoảng band gap của silicon quá lớn, nên có rất ít electron hoá trị nhận được đủ năng lượng từ các photon để hoá thành electron tự do. Bên cạnh đó, đối với silicon, khoảng thời gian tồn tại các electron tự do này rất ngắn (chỉ khoảng 1 picosecond - hay 10-12 giây) và quãng đường mà chúng đi được chỉ kéo dài 10 nanomet. Sau khi đi hết quãng đường trên, các electron tự do bị mất hết năng lượng do các photon (từ Mặt Trời) đem đến. Kết quả là hiệu suất của pin Mặt Trời silicon rất thấp vì đa số quang năng nhận được bị chuyển hoá thành nhiệt năng.

Giải pháp vật liệu tinh thể perovskite

Nhằm khắc phục tình trạng trên, Libai Huang, trợ lý giáo sư hoá học tại Purdue, cùng các đồng sự của mình, đã phát triển ra một kỹ thuật mới dựa trên kính hiển vi và laser nhanh, nhằm theo dõi cự ly di chuyển và tốc độ của các electron tự do mang năng lượng trong mạng tinh thể. Nhờ kỹ thuật trên, họ đã ghi nhận đặc tính của nhiều loại vật chất khác nhau. Sau cùng, thứ mà các nhà khoa học tìm được là một vật liệu tạm đặt tên "perovskite lai" (hybrid perovskite). Vật liệu này được tạo ra từ chì (Pb), Iodine (I) và methyl-ammonium (CH3NH3).

Vật liệu tinh thể mới có thể gấp đôi hiệu suất pin Mặt Trời
Cấu trúc tinh thể vật liệu perovskite lai.

Điểm đặc biệt của vật liệu trên là nó có cấu tạo tinh thể giống với perovskite (CaTiO3), một loại hợp chất với cấu trúc đặc thù gồm những cái "chuồng" bao quanh các nguyên tử tự do nằm ở trung tâm. Với perovskite lai, các nguyên tử Pb và I tạo thành "chuồng" bọc lấy cụm CH3NH3 nằm chính giữa. Chính cấu trúc perovskite này cho phép các electron tự do có thể di chuyển những quãng đường xa hơn và tồn tại được lâu hơn trước khi bị mất hết năng lượng.

Bà Huang mô tả cụ thể hơn: "Khoảng cách mà các electron tự do cần phải di chuyển ít nhất phải bằng độ dày của tấm pin Mặt Trời (để sinh ra điện), khoảng 200 nanomet. Đây là con số mà loại vật liệu perovskite mới có thể đạt được. Thêm vào đó, các electron này có thể tồn tại được tới 100 picosecond, lâu gấp 100 lần so với silicon".

Vật liệu tinh thể mới có thể gấp đôi hiệu suất pin Mặt Trời
Ảnh chụp bằng laser nhanh cho thấy thời gian tồn tại của các electron tự do trong mạng tinh thể.

Kai Zhu, đồng tác giả báo cáo, thuộc NREL, phấn khởi với kết quả: "Nghiên cứu này cho thấy các electron tự do mang năng lượng trong một màng mỏng tinh thể perovskite tiêu chuẩn có thể di chuyển một khoảng cách dài hơn hoặc bằng bề dày của tấm pin, vốn là yếu tố cần thiết để làm ra một tế bào năng lượng Mặt Trời hiệu quả. Thông tin này cũng chỉ ra rằng tiềm năng cho việc phát triển các tế bào năng lượng Mặt Trời áp dụng cấu trúc perovskite là rất tốt".

Tuy nhiên, một nhược điểm của loại vật liệu này là nó sử dụng Pb, một nguyên tố độc hại với môi trường. Hiện các nhà nghiên cứu Purdue đang cố gắng phát triển một vật liệu với cấu trúc perovskite tương tự nhưng không có Pb. Và chi tiết sau cùng là hoàn thiện sản phẩm. Ông Zhu tổng kết: "Bước tiếp theo là tìm ra hoặc phát triển được loại vật liệu hoặc cấu trúc phù hợp với các mức năng lượng tương xứng để trích ra các electron tự do này nhằm tạo ra dòng điện ở các mạch thứ cấp. Điều này sẽ không đơn giản".

Loading...
TIN CŨ HƠN
Những công nghệ được kỳ vọng sẽ thay đổi cuộc sống của con người trong tương lai

Những công nghệ được kỳ vọng sẽ thay đổi cuộc sống của con người trong tương lai

Lọc nước biển thành nước ngọt, vắc xin điện tử chữa bách bệnh... những công nghệ này sẽ giúp cải thiện cuộc sống con người trong tương lai.

Đăng ngày: 28/02/2018
Bitcoin là gì?

Bitcoin là gì?

Dự án “tiền tệ ảo thử nghiệm” này đang trở thành một trong những chủ đề nóng nhất của giới công nghệ cũng như giới kinh tế.

Đăng ngày: 28/02/2018
Màn hình smartphone sẽ có thể tự chữa lành vết trầy xước vào năm 2020

Màn hình smartphone sẽ có thể tự chữa lành vết trầy xước vào năm 2020

Nếu bạn vô tình làm rơi smartphone và khiến cho màn hình bị vỡ, bạn sẽ có hai lựa chọn: đem đi sửa màn hình hoặc mua một chiếc điện thoại mới.

Đăng ngày: 08/04/2017
Công nghệ giúp bảo quản sữa trong nhiều tháng

Công nghệ giúp bảo quản sữa trong nhiều tháng

Công nghệ xử lý nhiệt cực cao giúp tạo ra loại sữa không bị hư hỏng trong nhiều tháng, nhưng cũng khiến chúng không thể tạo ra pho mát.

Đăng ngày: 08/04/2017
Màng graphene lọc nước biển thành nước ngọt

Màng graphene lọc nước biển thành nước ngọt

Các nhà nghiên cứu đã đạt được một bước ngoặt lớn trong cuộc tìm kiếm phương pháp khử muối hiệu quả bằng cách chế tạo thành công một màn graphene oxide để tách muối khỏi nước biển.

Đăng ngày: 07/04/2017
Những mẫu vật tưởng như không bao giờ nhìn thấy phải

Những mẫu vật tưởng như không bao giờ nhìn thấy phải "lộ diện" dưới loại kính này

Kỹ thuật này được đánh giá là bước tiến lớn của giới khoa học, giúp lĩnh vực chế tạo kính hiển vi vượt qua giai đoạn bế tắc, khi mà kính hiển vi sử dụng tia laser có chi phí cao và dòng năng lượng cực kì lớn.

Đăng ngày: 07/04/2017
Tạo ra robot giúp trẻ tự kỷ học các kỹ năng xã hội

Tạo ra robot giúp trẻ tự kỷ học các kỹ năng xã hội

Kaspar là một robot xã hội được thiết kế để giao tiếp với trẻ tự kỷ. Robot có thể hát, bắt chước cách ăn uống, chơi trống lục lạc và thậm chí là chải tóc.

Đăng ngày: 05/04/2017
Tiêu điểm
Khoa Học News
Trang web của chúng tôi có thể được thực hiện và duy trì bằng cách hiển thị quảng cáo trực tuyến cho khách truy cập của chúng tôi.
Vui lòng xem xét hỗ trợ chúng tôi bằng cách vô hiệu trình chặn quảng cáo của bạn.