Các nhà nghiên cứu đã tăng cường thu hoạch năng lượng mặt trời bằng cách phát triển các chất bán dẫn hữu cơ cung cấp một giải pháp thay thế rẻ hơn, dễ thích nghi hơn so với silicon. Một bước đột phá gần đây cho thấy những vật liệu này có thể đạt được hiệu quả cao hơn thông qua một cơ chế độc đáo nơi các electron thu được năng lượng, mở đường cho các công nghệ sản xuất nhiên liệu và pin mặt trời hiệu quả hơn.

Vật liệu mới có thể uốn cong và quét dung dịch trên tường như sơn

Năng lượng mặt trời đóng vai trò thiết yếu trong quá trình chuyển đổi sang tương lai năng lượng sạch. Thông thường, silic, một chất bán dẫn phổ biến có trong các thiết bị điện tử hàng ngày, được sử dụng để thu năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, tấm pin mặt trời silicon đi kèm với những hạn chế - chúng đắt tiền và khó lắp đặt trên các bề mặt cong.

Các nhà nghiên cứu đã tăng cường thu hoạch năng lượng mặt trời bằng cách phát triển các chất bán dẫn hữu cơ cung cấp một giải pháp thay thế rẻ hơn, dễ thích nghi hơn so với silicon. Ảnh: scitechdaily

Các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Kanas (Hoa Kỳ) đã phát triển các vật liệu thay thế để thu năng lượng mặt trời nhằm khắc phục những hạn chế đó. Trong số những vật liệu này, hứa hẹn nhất là chất bán dẫn "hữu cơ", chất bán dẫn dựa trên carbon, có sẵn trên Trái đất, rẻ hơn và thân thiện với môi trường.

"Chúng có khả năng giảm chi phí sản xuất tấm pin mặt trời vì những vật liệu này có thể được phủ lên bất kỳ bề mặt nào bằng các phương pháp dựa trên dung dịch - giống như cách chúng ta sơn tường," Tiến sĩ Wai-Lun Chan, phó giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Kansas cho biết.

Theo ông Chan, những vật liệu hữu cơ này có thể được điều chỉnh để hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng được chọn, có thể được sử dụng để tạo ra các tấm pin mặt trời trong suốt hoặc các tấm pin với các màu sắc khác nhau. Những đặc điểm này làm cho tấm pin mặt trời hữu cơ đặc biệt phù hợp để sử dụng trong các tòa nhà xanh và bền vững thế hệ tiếp theo.

Mặc dù chất bán dẫn hữu cơ đã được sử dụng trong màn hình hiển thị của các thiết bị điện tử tiêu dùng như điện thoại di động, TV và tai nghe thực tế ảo, nhưng chúng vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trong các tấm pin mặt trời thương mại. Một hạn chế của pin mặt trời hữu cơ là hiệu suất chuyển đổi ánh sáng sang điện thấp, khoảng 12% so với pin mặt trời silicon đơn tinh thể có hiệu suất 25%.

Theo ông Chan, electron trong chất bán dẫn hữu cơ thường liên kết với các đối tác tích điện dương được gọi là "lỗ trống". Bằng cách này, ánh sáng được hấp thụ bởi chất bán dẫn hữu cơ thường tạo ra các bán hạt trung hòa điện tích được gọi là "exciton".

Đột phá với vật liệu non-fullerene acceptors (NFA)

Nhưng sự phát triển gần đây của một lớp vật liệu bán dẫn hữu cơ mới được gọi là vật liệu non-fullerene acceptors (NFA) đã thay đổi điều này. Pin mặt trời hữu cơ được chế tạo bằng NFA có thể đạt hiệu suất gần hơn với mức 20%.

Mặc dù hiệu suất vượt trội, cộng đồng khoa học vẫn chưa rõ lý do tại sao lớp NFA mới này lại vượt trội đáng kể so với các chất bán dẫn hữu cơ khác.

Hai nghiên cứu sinh Kushal Rijal (phải), Neno Fuller (trái) và Fatimah Rudayni từ khoa Vật lý và Thiên văn học hợp tác với Cindy Berrie, giáo sư hóa học tại KU, đã phát hiện ra một cơ chế vi mô giải thích một phần hiệu suất vượt trội đạt được bởi NFA. Ảnh: scitechdaily

Trong một nghiên cứu đột phá được đăng trên Advanced Materials, Phó giáo sư Chan và nhóm của ông, bao gồm các nghiên cứu sinh Kushal Rijal (tác giả chính), Neno Fuller và Fatimah Rudayni từ khoa Vật lý và Thiên văn học, và hợp tác với Cindy Berrie, giáo sư hóa học tại KU, đã phát hiện ra một cơ chế vi mô giải thích một phần hiệu suất vượt trội đạt được bởi NFA.

Chìa khóa cho khám phá này là các phép đo do tác giả chính Rijal thực hiện kỹ thuật thực nghiệm được gọi là "phổ phát xạ hai photon thời gian phân giải" (TR-TPPE). Phương pháp này cho phép nhóm nghiên cứu theo dõi năng lượng của các electron kích thích với độ phân giải thời gian dưới pico giây (ít hơn một phần nghìn tỷ giây).

"Trong các phép đo này, Kushal quan sát thấy rằng một số electron được kích thích quang học trong NFA có thể lấy năng lượng từ môi trường thay vì mất năng lượng vào môi trường. Quan sát này đi ngược lại trực giác vì các electron kích thích thường mất năng lượng vào môi trường giống như một tách cà phê nóng mất nhiệt vào môi trường xung quanh." ông Chan nói.

Nhóm nghiên cứu, có công trình được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học Năng lượng Cơ bản thuộc Bộ Năng lượng, tin rằng quá trình bất thường này xảy ra ở cấp độ vi mô nhờ hành vi lượng tử của electron, cho phép một electron kích thích xuất hiện đồng thời trên nhiều phân tử. Sự kỳ lạ lượng tử này kết hợp với Định luật Nhiệt động học Thứ hai, quy định rằng mọi quá trình vật lý sẽ dẫn đến sự gia tăng entropy tổng (thường được gọi là "sự rối loạn") để tạo ra quá trình thu năng lượng bất thường.

"Trong hầu hết các trường hợp, một vật nóng truyền nhiệt đến môi trường lạnh xung quanh vì sự truyền nhiệt dẫn đến sự gia tăng tổng entropy.

Nhưng chúng tôi tìm thấy đối với các phân tử hữu cơ được sắp xếp trong một cấu trúc nano cụ thể, hướng điển hình của dòng nhiệt bị đảo ngược để tổng entropy tăng lên. Dòng nhiệt đảo ngược này cho phép các exciton trung tính thu được nhiệt từ môi trường và phân ly thành một cặp điện tích dương và âm. Những khoản phí miễn phí này có thể lần lượt tạo ra dòng điện.", Rijal nói.

Tiềm năng cho các giải pháp năng lượng trong tương lai

Dựa trên những phát hiện thực nghiệm của họ, nhóm nghiên cứu đề xuất rằng cơ chế tách điện tích do entropy thúc đẩy này cho phép pin mặt trời hữu cơ được chế tạo bằng NFA đạt được hiệu suất cao hơn nhiều.

"Việc hiểu rõ cơ chế tách điện tích cơ bản sẽ cho phép các nhà nghiên cứu thiết kế các cấu trúc nano mới để tận dụng entropy để định hướng dòng nhiệt hoặc năng lượng ở cấp độ nano. Mặc dù entropy là một khái niệm quen thuộc trong vật lý và hóa học, nhưng nó hiếm khi được sử dụng tích cực để cải thiện hiệu suất của các thiết bị chuyển đổi năng lượng", Rijal nói.

Hơn nữa, nhóm nghiên cứu KU tin rằng cơ chế được phát hiện trong nghiên cứu này không chỉ có thể được sử dụng để sản xuất pin mặt trời hiệu quả hơn mà còn có thể giúp các nhà nghiên cứu thiết kế các chất xúc tác quang hiệu quả hơn để sản xuất nhiên liệu mặt trời, một quá trình quang hóa học sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển đổi carbon dioxide thành nhiên liệu hữu cơ.