Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), năng lượng mặt trời sẽ trở thành nguồn điện lớn nhất vào năm 2050, chiếm khoảng 1/3 sản lượng điện toàn cầu. Tuy nhiên, hiệu suất của các tấm pin năng lượng mặt trời hiện tại cần phải được cải thiện nếu điều này trở thành hiện thực.
Với sự tiến bộ của công nghệ và nhu cầu về các nguồn năng lượng sạch, nhiều quốc gia đang nỗ lực để tìm ra cách cải thiện khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời của các tấm quang năng thế hệ mới.
Trong bối cảnh đó, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Martin Luther Halle-Wittenberg của Đức đã khám phá ra một cách mới để tạo ra các tấm pin năng lượng mặt trời hiệu quả hơn 1.000 lần so với các phương pháp hiện tại.
Trọng tâm của bước đột phá này là việc tạo ra một cấu trúc tinh thể nhiều lớp siêu mỏng có thể phản ứng với ánh sáng theo những cách mới mạnh mẽ.
Các nhà khoa học đã xếp chồng các lớp vật liệu titanat bari, titanat stronti và titanat canxi thành một cấu trúc dạng lưới. Những vật liệu này, được sắp xếp một cách chính xác, đã tạo ra một loại vật chất có khả năng hấp thụ mạnh mẽ năng lượng mặt trời.
Ảnh minh hoạ.
Khám phá của họ, được công bố trên tạp chí Science Advances, có thể đánh dấu bước ngoặt cho ngành năng lượng mặt trời. Nếu được mở rộng quy mô, nó có thể cho phép các tấm quang năng nhỏ hơn tạo ra nhiều điện hơn nhiều so với silicon hiện nay.
Hầu hết các tế bào năng lượng mặt trời ngày nay đều dựa vào silicon, nhưng vật liệu đó có giới hạn của nó. Để có được nhiều năng lượng hơn từ ánh sáng mặt trời, các nhà nghiên cứu từ lâu đã tìm kiếm các giải pháp thay thế – đặc biệt là những giải pháp hoạt động mà không cần các mối nối phức tạp mà silicon cần.
Đó chính là lúc các vật liệu sắt điện như titanat bari phát huy tác dụng. Những tinh thể này tự nhiên tách các điện tích dương và âm. Điều này tạo cho chúng một cấu trúc không đối xứng tạo ra điện khi tiếp xúc với ánh sáng.
Không giống như silicon, tinh thể sắt điện không cần mối nối pn để tạo ra dòng điện. Điều đó khiến chúng dễ gia công hơn và có khả năng sản xuất rẻ hơn. Nhưng khi tự thân chúng, chúng không hấp thụ nhiều ánh sáng mặt trời.
Để giải quyết vấn đề đó, nhóm nghiên cứu tại Đại học Martin Luther Halle-Wittenberg đã khám phá ra phương pháp xếp lớp. Họ phát hiện ra rằng bằng cách kết hợp các vật liệu sắt điện và thuận điện theo kiểu xen kẽ, chúng có thể tăng đáng kể khả năng hấp thụ ánh sáng.
"Điều quan trọng ở đây là vật liệu sắt điện xen kẽ với vật liệu thuận điện", Tiến sĩ Akash Bhatnagar, một nhà vật lý dẫn đầu nghiên cứu, giải thích.
Theo vị chuyên gia, mặc dù vật liệu thuận điện không có sự phân tách điện tích, nhưng chúng có thể hoạt động giống như vật liệu sắt điện trong các điều kiện đặc biệt – chẳng hạn như ở nhiệt độ thấp hoặc với một số thay đổi nhỏ về cấu trúc của chúng.
Nhóm của ông phát hiện ra rằng kết quả tốt nhất đạt được khi không chỉ sử dụng một mà là hai lớp thuận điện, nghĩa là đặt titanat bari vào giữa titanat stronti và titanat canxi.
"Hiệu ứng quang điện được tăng cường đáng kể" nhờ thiết lập nhiều lớp này, Tiến sĩ Akash Bhatnagar nói.
Sử dụng tia laser công suất cao, nhóm nghiên cứu đã làm bay hơi các tinh thể này và lắng đọng chúng thành các lớp cực mỏng trên bề mặt vật chủ. Cuối cùng, họ đã chế tạo được một vật liệu có 500 lớp xếp chồng lên nhau mà chỉ dày khoảng 200 nanomet.
Khi tiến hành các phép đo quang điện, vật liệu mới đã được chiếu sáng bằng ánh sáng laser. Kết quả khiến ngay cả nhóm nghiên cứu cũng ngạc nhiên: So với titanat bari nguyên chất có độ dày tương tự, dòng điện chạy qua mạnh hơn tới 1.000 lần, mặc dù thực tế là tỉ lệ titanat bari là thành phần quang điện chính đã giảm gần 2/3.
Nhóm của Tiến sĩ Akash Bhatnagar hiện đang nghiên cứu một nguyên mẫu pin năng lượng mặt trời mới dựa trên những phát hiện của họ. Nếu thành công, điều này có thể dẫn đến việc phát triển các tấm quang năng thương mại dựa trên vật liệu mới trong vài năm tới.
Phát hiện của nhóm nghiên cứu tại Đại học Martin Luther Halle-Wittenberg chỉ là một ví dụ về nghiên cứu đột phá đang được thực hiện trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.
Khi thế giới đang phải đối mặt với những thách thức cấp bách về môi trường, việc đầu tư vào các công nghệ năng lượng sạch có thể giúp chúng ta chuyển đổi sang một tương lai bền vững hơn là điều quan trọng hơn bao giờ hết.
Bằng cách khai thác sức mạnh của mặt trời, con người có thể giảm lượng khí thải carbon và tạo ra một thế giới thịnh vượng và công bằng hơn cho các thế hệ mai sau.
Minh Đức (Theo Ecoportal, Brighter Side)
