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

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.

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).

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".

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".