Ánh sáng mặt trời bị phân tách thành hai: Lớp hữu cơ hứa hẹn bước nhảy vọt về hiệu suất năng lượng mặt trời
Đại học New South Wales
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng thiết bị để khảo sát hành vi của ánh sáng và các dạng năng lượng khác, với tốc độ cực nhanh. Nguồn: Richard Freeman / UNSW Sydney
Trong cuộc đua làm cho năng lượng mặt trời rẻ hơn và hiệu quả hơn, một nhóm các nhà khoa học và kỹ sư của UNSW Sydney đã tìm ra cách vượt qua một trong những giới hạn lớn nhất của công nghệ tái tạo.
Phân hạch đơn là một quá trình trong đó một hạt ánh sáng đơn lẻ—một photon—có thể được phân tách thành hai gói năng lượng, giúp tăng gấp đôi sản lượng điện khi áp dụng vào các công nghệ khai thác năng lượng mặt trời.
Trong một nghiên cứu đăng trên ACS Energy Letters, nhóm nghiên cứu của UNSW—được gọi là "Omega Silicon"—đã trình bày cách thức hoạt động của phương pháp này trên một vật liệu hữu cơ, một ngày nào đó có thể được sản xuất hàng loạt chuyên dụng cho các tấm pin mặt trời.
"Phần lớn năng lượng từ ánh sáng trong pin mặt trời bị lãng phí dưới dạng nhiệt - bản thân nhiệt cũng là một dạng năng lượng", Tiến sĩ Ben Carwithen, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Khoa Hóa học của Đại học New South Wales (UNSW), cho biết.
"Chúng tôi đang tìm cách tận dụng năng lượng lãng phí đó và biến nó thành nhiều điện năng hơn."
Khi một... bằng hai
Hầu hết các tấm pin mặt trời ngày nay được làm từ silicon - một công nghệ đáng tin cậy và giá rẻ. Tuy nhiên, hiệu suất của silicon cũng có giới hạn, với các tấm pin thương mại tốt nhất hiện nay chỉ chuyển đổi khoảng 27% ánh sáng mặt trời thành điện năng. Mức trần lý thuyết là khoảng 29,4%.
Phân hạch đơn là một giải pháp vượt qua rào cản đó. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào một số vật liệu hữu cơ nhất định, một photon năng lượng cao có thể tạo ra hai photon năng lượng thấp hơn. Vì vậy, hai gói năng lượng hữu ích được tạo ra, thay vì chỉ một.
"Việc đưa phản ứng phân hạch đơn vào tấm pin mặt trời silicon sẽ làm tăng hiệu suất của nó", Giáo sư Ned Ekins-Daukes, trưởng dự án và là hiệu trưởng Trường Kỹ thuật Quang điện & Năng lượng Tái tạo của UNSW, cho biết.
"Nó cho phép một lớp phân tử cung cấp thêm dòng điện cho tấm pin."
Cho đến nay, thách thức là tìm ra vật liệu phù hợp. Các nghiên cứu trước đây của các nhóm khác đã sử dụng một hợp chất gọi là tetracene, hoạt động tốt trong phòng thí nghiệm nhưng sau đó bị phân hủy quá nhanh trong không khí và độ ẩm nên không thể áp dụng thực tế.
Nhóm nghiên cứu của UNSW hiện đã chứng minh rằng một hợp chất gọi là DPND, hay dipyrrolonaphthyridinedione, có thể thực hiện cùng chức năng mà vẫn ổn định trong điều kiện ngoài trời thực tế.
"Chúng tôi đã chứng minh rằng bạn có thể kết nối silicon với vật liệu ổn định này, trải qua phản ứng phân hạch đơn, và sau đó truyền thêm điện tích", Tiến sĩ Carwithen nói.
"Đây vẫn là một bước tiến ban đầu, nhưng đây là minh chứng đầu tiên cho thấy điều này thực sự có thể hoạt động trong một hệ thống thực tế."
Giải mã quá trình phân tách ánh sáng
Về cơ bản, ý tưởng của công nghệ này rất đơn giản: tận dụng tối đa năng lượng mặt trời.
Khám phá này được xây dựng dựa trên hơn một thập kỷ nghiên cứu cơ bản do Giáo sư Tim Schmidt, Trưởng khoa Hóa học của Đại học New South Wales (UNSW), dẫn đầu. Nhóm của ông là nhóm đầu tiên trên thế giới sử dụng từ trường để khám phá một phần quan trọng của con đường phân hạch đơn.
"Nghiên cứu trước đây của chúng tôi đã giải quyết được lộ trình của quá trình này", Giáo sư Schmidt nói. "Chúng tôi đã sử dụng từ trường để điều khiển ánh sáng phát ra và khám phá cách thức phân hạch đơn diễn ra. Điều này chưa từng được thực hiện trước đây."
Bằng cách hiểu được những cơ chế vật lý cơ bản này, các nhà nghiên cứu đã có thể thiết kế các vật liệu và cấu trúc lớp tốt hơn để hiệu ứng hiệu quả hơn.
"Các màu sắc ánh sáng khác nhau mang theo những năng lượng khác nhau", Giáo sư Schmidt nói.
Ánh sáng xanh có nhiều năng lượng hơn, nhưng phần lớn năng lượng đó bị mất dưới dạng nhiệt trong một pin mặt trời thông thường.
"Với phản ứng phân hạch đơn, năng lượng dư thừa đó có thể được chuyển đổi thành điện năng hữu ích."
Phó Giáo sư Murad Tayebjee, tác giả hướng dẫn của UNSW, cho biết công trình này là "một bước tiến lớn" cho công nghệ pin mặt trời.
"Đây là minh chứng đầu tiên về phản ứng phân hạch đơn trên silicon bằng cách sử dụng một phân tử hữu cơ tương đối ổn định dựa trên các chất màu công nghiệp," Phó Giáo sư Tayebjee nói.
Chất màu là thứ tạo ra màu sắc. Màu sắc hấp thụ ánh sáng. Các chất màu công nghiệp không bị phân hủy theo thời gian, chẳng hạn như các chất màu được sử dụng trong sơn ô tô.
Xây dựng pin mặt trời của tương lai
Công nghệ mới hoạt động bằng cách thêm một lớp hữu cơ siêu mỏng lên trên cùng của một pin silicon thông thường.
"Về nguyên tắc, chỉ cần phủ thêm một lớp lên trên cấu trúc hiện có," Tiến sĩ Carwithen nói. "Chúng ta cần tìm cách để làm cho nó hoạt động, nhưng không có lý do gì khiến nó không thể."
Giới hạn lý thuyết của năng lượng mặt trời Các tấm pin sử dụng công nghệ phân hạch đơn có hiệu suất khoảng 45% - một bước tiến vượt bậc so với công nghệ hiện tại.
"Đẩy mạnh lên 30% đã là điều tuyệt vời rồi", Tiến sĩ Carwithen nói.
"Nhưng chúng tôi hy vọng có thể đạt được một giới hạn cao hơn."
Từ phòng thí nghiệm đến ánh sáng
Nghiên cứu này là một phần của nỗ lực quốc gia rộng lớn hơn nhằm giúp năng lượng mặt trời rẻ hơn và mạnh hơn nữa.
Cơ quan Năng lượng Tái tạo Úc (ARENA) đã chọn dự án phân hạch đơn của UNSW vào năm 2023 cho chương trình Năng lượng Mặt trời Chi phí Cực thấp, nhằm mục đích cung cấp các tấm pin có hiệu suất hơn 30% với chi phí dưới 30 xu/watt vào năm 2030.
Một trong những công ty năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới hiện đang theo dõi sát sao nhóm Omega Silicon.
"Chúng tôi có các đối tác trong ngành đang chờ đợi," Tiến sĩ Carwithen nói. "Họ sẵn sàng giúp thương mại hóa sản phẩm này nếu chúng tôi có thể chứng minh nó hoạt động trong phòng thí nghiệm."
Ông ước tính một bằng chứng khái niệm quy mô nhỏ có thể sẵn sàng trong vòng vài năm tới—nhưng thừa nhận khoa học không phải lúc nào cũng đi theo đường thẳng.
"Có thể sẽ có một bước đột phá lớn vào tuần tới và mọi thứ sẽ diễn ra suôn sẻ," ông nói. "Nhưng mốc thời gian thực tế hơn là năm năm."
Thông tin thêm: Alexander J. Baldacchino và cộng sự, Pin mặt trời c-Si phân hạch đơn: Vượt ra ngoài Tetracene, ACS Energy Letters (2025). DOI: 10.1021/acsenergylett.5c01930
Thông tin tạp chí: ACS Energy Letters
