Các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đang nghiên cứu các phương pháp sản xuất hydro hiệu quả hơn. Hydro có thể góp phần quyết định vào việc giảm tiêu thụ nguyên liệu thô hóa thạch, đặc biệt nếu nó được sản xuất bằng năng lượng tái tạo. Các công nghệ sản xuất hydro trung hòa khí hậu hiện nay vẫn còn quá kém hiệu quả hoặc quá đắt để có thể ứng dụng rộng rãi hơn.
Trừu tượng đồ họa. Tín dụng: Báo cáo tế bào Khoa học vật lý (2023). DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101606
Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Tübingen hiện đang trình bày một loại pin mặt trời mới có hiệu suất cao đáng kể. Nó cho phép sản xuất hydro phi tập trung và có tiềm năng ứng dụng ở quy mô công nghiệp. Kết quả đã được công bố trên tạp chí Cell Reports Physical Science .
Pin mặt trời khi lặn
Khi hydro được sản xuất từ nước thông qua quá trình điện phân sử dụng năng lượng tái tạo, nó được gọi là "hydro xanh" vì quá trình sản xuất thân thiện với khí hậu. Trong quá trình tách nước bằng năng lượng mặt trời, thường được gọi là quang hợp nhân tạo, hydro được tạo ra bằng cách sử dụng năng lượng từ mặt trời.
Một nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Matthias May từ Viện Hóa lý và Lý thuyết tại Đại học Tübingen dẫn đầu đã phát triển một pin mặt trời là một phần không thể thiếu của bộ máy quang điện hóa và hoạt động trực tiếp với các chất xúc tác để tách nước. Điểm đặc biệt của sự phát triển Tübingen là không cần thêm mạch điện bên ngoài, chẳng hạn như trong tấm pin mặt trời quang điện.
Cách tiếp cận sáng tạo này làm cho công nghệ trở nên nhỏ gọn hơn, linh hoạt hơn và có khả năng tiết kiệm chi phí hơn. Nhưng với thiết kế này, nhu cầu về pin mặt trời ngày càng lớn hơn. May nói: “Trong số các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này, việc thực hiện phân tách nước trực tiếp hoặc quang điện hóa ổn định và hiệu quả là một điều gì đó tuyệt vời”.
Điểm đặc biệt của cấu trúc pin mặt trời là mức độ kiểm soát cao các bề mặt tiếp xúc giữa các vật liệu khác nhau. Các cấu trúc bề mặt ở đây được sản xuất và kiểm tra ở quy mô vài nanomet, hoặc một phần triệu milimét. Đặc biệt rắc rối là những khiếm khuyết tinh thể nhỏ xảy ra, ví dụ như trong quá trình phát triển của các lớp pin mặt trời. Những khiếm khuyết như vậy cũng làm thay đổi cấu trúc điện tử và do đó có thể làm giảm cả hiệu quả lẫn tính ổn định của hệ thống.
May cho biết thêm: "Tuy nhiên, nhìn chung, sự ăn mòn—và do đó độ ổn định lâu dài của pin mặt trời trong nước—vẫn là thách thức lớn nhất. Về vấn đề này, chúng tôi hiện đã đạt được tiến bộ lớn so với công việc trước đây."
Thiết kế kỹ thuật của tế bào mới vừa sáng tạo vừa đặc biệt hiệu quả. Tỷ lệ hiệu quả của tế bào cho biết bao nhiêu phần trăm năng lượng từ ánh sáng mặt trời có thể được chuyển đổi thành năng lượng hydro có thể sử dụng được (giá trị nhiệt lượng).
Nhóm nghiên cứu đã đạt được hiệu suất 18%, giá trị cao thứ hai từng đo được trong quá trình tách nước trực tiếp bằng năng lượng mặt trời. Hiệu suất đáng kể đầu tiên của việc tách nước bằng năng lượng mặt trời được NREL ở Mỹ trình bày vào năm 1998 với 12%. Điều này chỉ được theo sau vào năm 2015 với mức tăng vọt lên 14% và năm 2018 lên 19%.
Một số dự án kinh doanh tại các trường đại học khác chứng minh rằng công nghệ này, thậm chí với hiệu suất thấp hơn nhiều, vẫn có thể được thương mại hóa. Erica Schmitt, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, giải thích: "Những gì chúng tôi đã phát triển ở đây là công nghệ sản xuất hydro mặt trời không yêu cầu kết nối hiệu suất cao với lưới điện. Điều này có nghĩa là các giải pháp độc lập nhỏ hơn và lâu dài hơn để cung cấp năng lượng cũng có thể tưởng tượng được."
Các bước tiếp theo bao gồm cải thiện độ ổn định lâu dài, chuyển sang hệ thống vật liệu dựa trên silicon tiết kiệm chi phí hơn và mở rộng quy mô lên diện tích bề mặt lớn hơn. Kết quả nghiên cứu có thể đóng góp đáng kể vào việc cung cấp năng lượng và giảm lượng khí thải CO 2 .
