Loại pin mặt trời mới đang được thử nghiệm trong không gian
bởi Đại học Lund
Các dây nano trong ba vật liệu được chụp bằng kính hiển vi điện tử quét. Một sợi chỉ mỏng hơn một ngàn lần so với một sợi tóc. Màu đỏ và xanh biểu thị hướng của dòng điện và các dây nano hoạt động như một pin mặt trời song song. Tín dụng: Đại học Lund
Các nhà nghiên cứu vật lý tại Đại học Lund ở Thụy Điển gần đây đã thành công trong việc chế tạo các ăng-ten nhỏ thu bức xạ mặt trời—dây nano—sử dụng ba vật liệu khác nhau phù hợp hơn với quang phổ mặt trời so với pin mặt trời silicon ngày nay. Vì các dây nano nhẹ và cần ít vật liệu trên một đơn vị diện tích, nên giờ đây chúng sẽ được lắp đặt để thử nghiệm trên các vệ tinh, được cung cấp bởi pin mặt trời và ở đó hiệu quả, kết hợp với trọng lượng thấp, là yếu tố quan trọng nhất. Các tế bào năng lượng mặt trời mới đã được gửi vào vũ trụ cách đây vài ngày.
Một nhóm các nhà nghiên cứu kỹ thuật nano tại Đại học Lund nghiên cứu về pin mặt trời đã tạo ra một bước đột phá vào năm ngoái khi họ thành công trong việc chế tạo các dây nano quang điện với ba khoảng cách dải khác nhau. Nói cách khác, điều này có nghĩa là một và cùng một dây nano bao gồm ba vật liệu khác nhau phản ứng với các phần khác nhau của ánh sáng mặt trời. Các kết quả đã được công bố trên tạp chí Materials Today Energy và sau đó được trình bày chi tiết hơn trong Nano Research.
Magnus Borgström, giáo sư vật lý chất rắn, người đã viết các bài báo cùng với nghiên cứu sinh tiến sĩ lúc bấy giờ là Lukas, cho biết: "Thách thức lớn là làm sao để dòng điện truyền được giữa các vật liệu. Phải mất hơn mười năm, nhưng cuối cùng nó đã thành công". Hrachowina.
Có khoảng mười nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới đang tích cực tập trung vào pin mặt trời dây nano.
Magnus Borgström cho biết: “Thách thức là phải kết hợp các khoảng trống dải khác nhau trong pin mặt trời và cánh cửa đó cuối cùng đã mở ra”.
Thay thế cho silicon trong tương lai
Pin mặt trời với các khoảng cách dải khác nhau, được gọi là pin mặt trời song song, cho đến nay chủ yếu được tìm thấy trên các vệ tinh và là chủ đề nghiên cứu chuyên sâu. Mục đích của nghiên cứu là tăng đáng kể hiệu suất, có lẽ gấp đôi so với pin mặt trời silicon thương mại hiện nay (khoảng 20%).
Magnus Borgström cho biết: "Pin mặt trời silicon đã sớm đạt đến giới hạn tối đa về hiệu suất. Do đó, trọng tâm hiện đã chuyển sang phát triển pin mặt trời song song. Các biến thể được lắp trên vệ tinh quá đắt để lắp đặt trên mái nhà".
Cách phổ biến nhất để chế tạo pin mặt trời song song là tổng hợp các vật liệu bán dẫn khác nhau chồng lên nhau, những vật liệu có thể hấp thụ các phần khác nhau của quang phổ mặt trời. Pin mặt trời song song dựa trên silicon đang thu hút rất nhiều sự quan tâm và liên quan đến việc đặt các màng mỏng, bán trong suốt bằng vật liệu thu ánh sáng khác lên trên silicon.
Các nhà nghiên cứu ở Lund sử dụng một cách tiếp cận hơi khác. Họ đã phát triển một phương pháp trong đó họ chế tạo các thanh vật liệu bán dẫn cực mỏng trên một chất nền. Ưu điểm là lượng vật liệu nhỏ trên một đơn vị diện tích, có thể giảm chi phí sản xuất và trở thành giải pháp thay thế bền vững hơn.
Các thanh dày nanomet bao gồm ba vật liệu có chứa lượng indi, asen, gali và phốt pho khác nhau. Trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu cho đến nay đã đạt được hiệu suất 16,7%. Một đồng nghiệp, Yang Chen, đã chỉ ra rằng pin mặt trời dây nano có tiềm năng đạt hiệu suất 47% khi sử dụng cấu trúc hiện tại. Đạt được hiệu quả thậm chí cao hơn đòi hỏi nhiều khoảng cách băng tần hơn.
Trong bước tiếp theo, ông và các đồng nghiệp sẽ tối ưu hóa ba đi-ốt bằng cách cải thiện các mối nối đường hầm kết nối các vật liệu khác nhau trong cấu trúc và cố gắng giảm tác động của bề mặt dây nano, điều rất quan trọng trên cấp độ nano.
Bên cạnh khả năng hấp thụ ánh sáng được cải thiện, pin mặt trời dây nano được đặc trưng bởi độ bền của chúng, chẳng hạn như chúng có thể chịu được bức xạ có hại trong không gian tốt hơn so với pin mặt trời song song dựa trên màng tương ứng.
"Một tấm dây nano có thể được ví như một lớp móng tay rất thưa thớt. Nếu một số proton hung hăng xuất hiện, thỉnh thoảng xảy ra, chúng có thể sẽ rơi xuống giữa các dây và nếu chúng tình cờ loại bỏ một số dây, thì điều đó cũng không thành vấn đề lắm nhiều. Thiệt hại có thể tồi tệ hơn nếu chúng rơi xuống một màng mỏng thông thường."
Thử nghiệm trong không gian vào mùa xuân
Những ưu điểm này đã dẫn đến việc pin mặt trời dây nano gần đây đã được lắp trên một vệ tinh nghiên cứu, được gửi vào không gian vào tuần thứ hai của tháng 1 bởi các đối tác cộng tác của các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ California, Caltech, Hoa Kỳ.
"Rất nhiều thông tin liên lạc kỹ thuật số của chúng tôi được điều khiển bởi các vệ tinh, do đó được cung cấp bởi pin mặt trời. Vệ tinh truyền GPS, truyền TV, lưu lượng dữ liệu, cuộc gọi điện thoại di động và dữ liệu thời tiết."
Vệ tinh sẽ đi vào quỹ đạo vào mùa xuân và dự kiến sẽ nhận được kết quả liên tục cơ sở.
Magnus Borgström cho rằng pin mặt trời song song cũng sẽ xuất hiện trên Trái đất trong thời gian dài nhưng ít nhất ban đầu pin mặt trời không chứa silicon sẽ được sử dụng trong các ứng dụng thích hợp như quần áo, cửa sổ và đồ trang trí.
