Cùng với sự cạn kiệt của các nguồn nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ và than đá, năng lượng tái tạo ngày càng được quan tâm trong những năm gần đây. Nguồn ánh sáng mặt trời vô tận chính là mục tiêu quan trọng của các hệ thống pin mặt trời hay hệ quang hợp nhân tạo.
Tuy nhiên, các phát minh mới nhất vẫn bị hạn chế do hiệu suất thấp: với các tấm pin mặt trời thông thường, hiệu suất thực tế chỉ ở khoảng 12% (20% trong điều kiện thí nghiệm) và hệ tựa quang hợp nhân tạo hiệu quả nhất vừa được Panasonic chế tạo cũng chỉ đạt mức 0,2%. Do đó, trong khi chưa khám phá tường tận những bí mật của tự nhiên thì cách tốt nhất là con người nên bắt chước những gì mà nó vận hành.
Sơ lược về protein quang hợp PS1 ở thực vật
Hơn 40 năm qua các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu một loại protein tham gia vào quá trình quang hợp ở thực vật gọi là Photosystem 1 (PS1). PS1 có một đặc điểm quan trọng là nó vẫn giữ nguyên khả năng của chúng ngay cả khi chúng được chiết xuất khỏi cây trồng. Hơn nữa loại protein này còn có một tính quý giá là nó có thể chuyển hóa ánh sáng thành năng lượng điện với hiệu suất gần đạt ngưỡng 100%. Do vậy, các nhà khoa học đã cố gắng tận dụng khả năng của PS1 để tạo ra các tế bào quang điện lai sinh học với tỉ lệ chuyển hóa năng lượng cao hơn.
Như chúng ta đã biết, bản thân các vật liệu silicon có hiệu suất quang điện cực thấp. Do đó để tăng hiệu quả chuyển hóa năng lượng, người ta phải bổ sung một lượng nhỏ đất hiếm vào vật liệu. Sẽ không có vấn đề gì nếu lượng đất hiếm dễ khai thác và giá thành rẻ. Tuy nhiên, các nguyên tố nhóm này thường khó lấy trong tự nhiên và chi phí để khai thác rất cao. Bên cạnh đó các nước sản xuất pin mặt trời chính như Đức, Nhật, Hoa Kỳ đều không có nguồn dự trữ lớn hoặc không có nhiều mỏ hoạt động, trong khi Trung Quốc đang thắt chặt lượng xuất khẩu khiến giá thành bị đẩy lên cao nữa. Với PS1, con người có một nguồn cung cực kì phong phú từ các cây thực vật. Hiện các nghiên cứu đang được tiến hành để chiết xuất một lượng lớn từ rau cải và cây Kudzu (một loại cây họ đậu).
Vấn đề trong việc sử dụng PS1 ở chỗ là sử dụng phương pháp nào để tách chúng dễ dàng và bảo quản để chúng không bị hỏng trong thời gian dài.
Nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời sinh học sử dụng PS1
Khi protein PS1 được chiếu sáng, nó sẽ hấp thụ năng lượng và cung cấp cho các electron hóa trị (electron liên kết với nguyên tử) để chuyển nó thành electron tự do. Nếu điện tử (electron) bứt khỏi một vị trí nào đó, nó sẽ để lại một lỗ trống tích điện dương cục bộ tại đó. Do có điện trường, các electron và lỗ trống sẽ di chuyển về hai phía khác nhau của protein PS1.
Ở các lá cây, PS1 được sắp xếp một cách có trật tự nên các phần protein có nhiều electron (mang điện âm) sẽ ở cùng một bên và đầu protein nhiều lỗ trống (mang điện dương) sẽ ở phía còn lại. Tuy nhiên trên pin sinh học, do chưa điều khiển được trong quá trình đưa vào silicon, protein này sẽ định hướng tự do. Khi đó một hiệu ứng tất yếu xảy ra là các điện tích âm và dương tạo ra trước đây sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Kết quả là dòng điện thu được sẽ có cường độ nhỏ đi rất nhiều.
Phương án của các nhà khoa học tại Valderbilt
Nhờ một kỹ thuật đặc biệt, các nghiên cứu viên có thể tách PS1 từ lá cải, và giữ nó tồn tại trong thời gian 9 tháng mà không bị hư hỏng. Họ trộn protein này với một loại dung môi chứa nước rồi đổ nó lên mặt một đế pin silicon kiểu p (pin mặt trời kiểu lỗ trống). Sau đó toàn bộ đế sẽ đưa vào buồng chân không và làm bay hơi hơi nước để thu được các tấm phim pin protein. Các thử nghiệm cho thấy độ dày phim ở mức 1 micromet sẽ cho hiệu quả tối ưu, kích thước này tương đương với 100 phân tử PS1 chồng lên nhau. Nhờ các bán dẫn kiểu p, electron sẽ di chuyển vào mạch ngoài theo cùng chiều. Mặc dù cách sắp xếp này chưa hoàn hảo như trên lá cây nhưng nó sẽ cũng tăng cường độ dòng điện lên nhanh chóng.
Kết quả
Biểu đồ sản sinh điện năng trên một centimet khối của pin mặt trời sinh học
Các đo đạc trên vật liệu mới cho thấy mỗi centimet vuông phim sẽ sản sinh ra dòng điện có cường độ 80 microampe (microA) ở điện thế 0,3 Vôn. Một tấm pin dài 0,6m sẽ sản sinh ra dòng điện 100mA ở điện thế 1 Vôn, đủ chạy một thiết bị điện tử cỡ nhỏ. Tuy còn thấp, các thông số về điện như vậy đã gấp 2,5 lần các tế bào quang điện sinh học được tạo ra trước đây với hiệu quả lớn hơn 1000 lần.
Dự kiến các nhà khoa học sẽ tiếp tục phát triển nghiên cứu của mình để đưa phát minh này thành một sản phẩm thương mại thực sự trong 3 năm nữa.
Tham khảo: Gizmag