Tế bào pin mặt trời kích thước nano hấp thụ năng lượng gấp 10 lần truyền thống
Mô hình của một tế bào pin năng lượng gồm một lớp phân tán nhám, được tạo hoa văn, màu xanh; một lớp vật liệu polymer hữu cơ mỏng có chức năng "bẫy" tia sáng và tạo ra dòng điện, màu đỏ; còn lớp mỏng kẹp giữa hai lớp giúp giữ ánh sáng lại bên trong lớp polymer hữu cơ
T
ừ lý thuyết phản ứng ở kích thước nano...
Các nhà khoa học ở trường đại học Standford cho rằng các phản ứng hóa học ở kích thước nano diễn biến theo một cách khác thông thường. Bằng cách tạo ra các tế bào pin mặt trời có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng, các hạt photon có thể được giam lại bên trong pin mặt trời lâu hơn giúp tế bào pin tăng khả năng hấp thụ chúng, nhờ đó mà hiệu quả của pin mặt trời sẽ tăng lên. Theo phương pháp này, người ta có thể tính toán một cách tương đối độ dày của các lớp polymer hữu cơ siêu mỏng có khả năng hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời gấp 10 lần những dự đoán của lý thuyết truyền thống.
Chìa khóa để vượt qua rào cản lý thuyết trước đây nằm ở chỗ khả năng giữ ánh sáng lại trong rãnh pin để lấy tối đa năng lượng từ ánh sáng, thông qua một kĩ thuật gọi là “kĩ thuật giữ tia sáng”. Kĩ thuật này đã phát triển từ nhiều thập kỉ trước với việc sử dụng pin mặt trời bằng silicon. Người ta làm nhám bề mặt của silicon để đưa tia sáng bên ngoài vào bên trong pin một thời gian trước khi tia sáng xuyên qua, thay vì phản xạ tia sáng trở lại môi trường như vai trò của một cái gương. Tuy nhiên, trong nhiều năm qua, dù nhiều nhà kĩ thuật đã thử nghiệm kĩ thuật này nhưng họ vẫn chưa vượt qua được cái ngưỡng hiệu suất mà lý thuyết đã đề ra trước đó.
Một mô hình tế bào pin mặt trời silicon truyền thống
Ánh sáng có bản chất lưỡng tính, đôi khi thể hiện tính chất hạt, trong một số trường hợp lại thể hiện bản chất sóng. Khi thể hiện tính chất hạt, bước sóng ánh sáng nhìn thấy được là từ 400 đến 700 nanometer và Shanhui Fan, phó giáo sư ngành kĩ thuật điện cùng nghiên cứu sinh Zongfu Yu đã quyết định tìm ra giới hạn lý thuyết của bước sóng ánh sáng mà tại đó nó bị giữ lại ở quy mô nano.
Họ tìm ra rằng, thậm chí ở bước sóng của ánh sáng khả vi, tồn tại giới hạn lý thuyết mà tại đó ánh sáng bị giữ lại. Tuy nhiên, khi nghiên cứu phản ứng của ánh sáng trong vật liệu có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng, các nhà nghiên cứu thấy rằng ánh sáng có thể bị giữ lại ở thời gian lâu hơn, nhờ đó mà tăng khả năng hấp thụ, vượt qua ngưỡng tới hạn lý thuyết ở mức độ vĩ mô.
“Lợi ích to lớn của việc giữ ánh sáng ở mức độ nano mà chúng tôi tìm ra ở đây thực sự đáng ngạc nhiên”, Yu nói.”Vượt qua giới hạn lý thuyết sẽ mở ra một tương lai mới cho việc tạo ra các loại pin mặt trời có hiệu suất cao hơn.”
Aaswath Raman, PGS. Shanhui Fan, và nghiên cứu sinh Zongfu Yu
Yu khẳng định rằng, thông qua các kết quả mô phỏng số, cấu trúc hiệu quả nhất để thu giữ được ánh sáng ở mức độ nano là sự kết hợp của một số lớp khác nhau bên ngoài một lớp vật liệu hữu cơ mỏng.
Tạo ra tế bào pin mặt trời có kích thước nano
Yu kẹp một lớp vật liệu hữu cơ mỏng giữa hai lớp vật liệu, được gọi là lớp “sơn phủ”, có tác dụng là lớp kìm hãm giữ ánh sáng truyền qua các lớp này và đi vào trong lớp mỏng. Phía ngoài lớp sơn phủ, ông ta đặt một lớp nhám được thiết kế theo mẫu để tán xạ ánh sáng chiếu vào ra thành nhiều hướng khi nó chiếu vào lớp mỏng. Bằng cách thay đổi các thông số của các lớp bao ngoài, ông ta đạt được khả năng hấp thụ ánh sáng gấp 12 lần bên trong lớp mỏng, so với mức độ vĩ mô.
Để đạt được hiệu suất cao hơn, các tế bào pin mặt trời có kích thước nano giúp tiết kiệm được chi phí đầu tư vật liệu, vì các lớp polymer hữu cơ và các loại vật liệu khác rẻ hơn nhiều silicon và lượng cần thiết cho các tế bào cũng ít hơn đáng kể. Ngoài ra, các vật liệu hữu cơ có lợi điểm là có thể tổng hợp trên cơ sở phản ứng trong dung dịch, thay vì cần nhiệt độ cao hoặc áp suất chân không như đòi hỏi khi sản xuất silicon.
Sử dụng các tế bào pin mặt trời kích thước nano hấp thụ năng lượng
nguyencyberchem
Linear Mode
