Một nghiên cứu từ Đại học Michigan cho thấy các thử nghiệm bức xạ cho thấy pin mặt trời làm từ vật liệu gốc carbon hoặc hữu cơ có thể hoạt động tốt hơn silicon và gali arsenide thông thường trong việc tạo ra điện ở giai đoạn cuối.
Một mô phỏng cho thấy các proton có năng lượng cao hơn 100 kiloelectron-volt (keV) thâm nhập sâu đến mức nào vào pin mặt trời. Các proton gió mặt trời có thể được tăng tốc lên mức năng lượng cao hơn khi chúng đi qua một phần từ trường của Trái đất. Ở mức 100 keV, chúng có thể chạm tới lớp kính lót của pin mặt trời. Tín dụng: Yongxi Li, Nhóm Linh kiện và Vật liệu Quang điện tử, Đại học Michigan
Trong khi nghiên cứu trước đây tập trung vào khả năng chuyển đổi ánh sáng thành điện của pin mặt trời hữu cơ sau khi tiếp xúc với bức xạ, cuộc điều tra mới còn đào sâu tìm hiểu xem điều gì xảy ra ở cấp độ phân tử khiến hiệu suất giảm xuống.
"Chất bán dẫn silicon không ổn định trong không gian do bức xạ proton đến từ mặt trời", Yongxi Li, tác giả đầu tiên của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Joule và là nhà khoa học nghiên cứu cộng tác của UM về kỹ thuật điện và máy tính tại thời điểm nghiên cứu, cho biết. "Chúng tôi đã thử nghiệm quang điện hữu cơ với proton vì chúng được coi là hạt gây hại nhất trong không gian đối với vật liệu điện tử".
Các sứ mệnh không gian thường hạ cánh trên gali arsenide vì hiệu suất cao và khả năng chống hư hại từ proton, nhưng nó đắt tiền và giống như silicon, tương đối nặng và không linh hoạt. Ngược lại, các tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ có thể linh hoạt và nhẹ hơn nhiều. Nghiên cứu này nằm trong số những nghiên cứu khám phá độ tin cậy của các chất hữu cơ, vì các sứ mệnh không gian có xu hướng sử dụng các vật liệu có độ tin cậy cao.
Các tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ được tạo ra từ các phân tử nhỏ dường như không gặp vấn đề gì với proton—chúng không bị hư hại sau ba năm chịu bức xạ. Ngược lại, các tế bào được tạo ra từ polyme—các phân tử phức tạp hơn với cấu trúc phân nhánh—mất một nửa hiệu suất.
Stephen Forrest, Giáo sư Kỹ thuật danh dự Peter A. Franken tại UM và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: "Chúng tôi phát hiện ra rằng các proton cắt một số chuỗi bên và để lại một bẫy electron làm giảm hiệu suất của pin mặt trời".
Sơ đồ cho thấy chuỗi bên alkyl kéo dài từ phân tử hữu cơ chuyển đổi năng lượng từ photon thành electron tự do. Electron xám nhảy từ carbon này sang carbon khác trên đường đến điện cực. Khi bị chiếu xạ proton, hydro bị đứt ra và để lại các bẫy đói electron. Tuy nhiên, khi tiếp xúc với nhiệt độ khoảng 100°C (212°F), hydro có thể liên kết lại với carbon, chữa lành hư hỏng và loại bỏ các bẫy electron. Tín dụng: Yongxi Li, Nhóm Linh kiện và Vật liệu Quang điện tử, Đại học Michigan
Những cái bẫy này giữ lại các electron được giải phóng khi ánh sáng chiếu vào tế bào, ngăn không cho chúng chảy đến các điện cực thu thập điện.
"Bạn có thể khắc phục điều này bằng cách ủ nhiệt hoặc làm nóng pin mặt trời. Nhưng chúng ta có thể tìm ra cách lấp đầy các bẫy bằng các nguyên tử khác, loại bỏ vấn đề này", Forrest cho biết.
Có thể các tế bào năng lượng mặt trời hướng về phía mặt trời về cơ bản có thể tự phục hồi ở nhiệt độ 100°C (212°F)—nhiệt độ ấm này đủ để sửa chữa các liên kết trong phòng thí nghiệm. Nhưng vẫn còn nhiều câu hỏi: ví dụ, liệu quá trình sửa chữa đó vẫn diễn ra trong chân không của không gian? Quá trình chữa lành có đủ tin cậy cho các nhiệm vụ dài ngày không? Có thể đơn giản hơn khi thiết kế vật liệu sao cho các bẫy electron làm giảm hiệu suất không bao giờ xuất hiện.
Li có ý định khám phá cả hai con đường này sâu hơn nữa với tư cách là phó giáo sư sắp tới về vật liệu tiên tiến và sản xuất tại Đại học Nam Kinh ở Trung Quốc.
Các thiết bị này được chế tạo một phần tại Cơ sở chế tạo nano Lurie, tiếp xúc với chùm tia proton tại Phòng thí nghiệm chùm ion Michigan và được nghiên cứu tại Trung tâm đặc tính vật liệu Michigan.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
