Một nhóm các nhà nghiên cứu đã có những tiến bộ trong lĩnh vực thu năng lượng đa chức năng. Nghiên cứu mới nhất của họ tiến triển trong việc hiểu hiệu ứng quang điện trong tinh thể sắt điện.
Yang Bai và các cộng sự xác nhận giả thuyết về hiệu ứng quang điện khối được cải thiện do cấu trúc miền xếp chồng trong tinh thể sắt điện khối. Giả thuyết này chỉ được chứng minh trong màng mỏng epitaxial và vẫn là câu hỏi mở trong các vật liệu khác trong hơn một thập kỷ. Tín dụng: Laura Tiitto, Design Inspis Oy, từ Advanced Electronic Materials (2025). DOI: 10.1002/aelm.202570009
Bài báo "Nghiên cứu về ảnh hưởng của phân cực AC đến hiệu ứng quang điện khối trong tinh thể đơn Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 -PbTiO3" được công bố trên tạp chí Advanced Electronic Materials, báo cáo kết quả nghiên cứu gần đây của nhóm về việc cải thiện sản lượng điện của hiệu ứng quang điện khối (BPVE) thông qua thao tác trên các miền sắt điện trong tinh thể perovskite oxit.
"Trong các tế bào quang điện thông thường, cơ chế thu năng lượng mặt trời và sau đó chuyển đổi chúng thành điện xanh dựa trên sự hình thành các mối nối pn của chất bán dẫn. Trong khi mối nối pn đã được phát minh trong hơn một thế kỷ, được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp silicon ngày nay, BPVE là một hiện tượng vật lý mới được phát hiện gần đây từ những năm 1960–1970.
"BPVE không dựa vào các mối nối pn để hoạt động dưới năng lượng mặt trời. Nó tự tạo ra 'mối nối tự thân' và về mặt lý thuyết, nó có thể phá vỡ giới hạn vật lý của giới hạn Shockley-Queisser ngăn cản các tế bào năng lượng mặt trời dựa trên mối nối pn đơn lẻ hoạt động hiệu quả hơn", phó giáo sư Yang Bai từ đơn vị nghiên cứu Vi điện tử cho biết.
Việc sử dụng BPVE trong thực tế hiện đang là thách thức, vì công suất đầu ra của các tế bào dựa trên BPVE vẫn không đáng kể so với các tế bào quang điện dựa trên tiếp giáp pn. Trong nghiên cứu này, nhóm của Bai chứng minh rằng bằng cách tạo ra cấu trúc miền xếp chồng, có thể đạt được cải thiện 35% về công suất đầu ra của các tế bào dựa trên BPVE. Miền là vùng có kích thước dưới micron chứa các phân cực tự phát định hướng theo cùng một hướng, có thể chuyển đổi bằng cách áp dụng một trường điện bên ngoài.
Việc cải thiện sản lượng điện từ thiết bị BPVE của Bai đạt được bằng cách áp dụng trường điện cực AC, trong đó cấu trúc vi mô (miền) bên trong tinh thể sẽ được căn chỉnh tốt hơn so với trường DC thông thường. Sau khi loại bỏ trường điện, các miền vẫn ở trạng thái căn chỉnh tốt hơn đó.
Các miền được căn chỉnh tốt hơn giúp giảm sự tái hợp của các hạt mang điện tích, do đó hiệu suất chuyển đổi năng lượng tăng lên. Kết quả của công trình mở đường cho việc phát triển các ô BPVE hiệu quả hơn có thể giúp mở khóa tính đa chức năng trong các thiết bị quang tử, máy tính, cảm biến và thu năng lượng trong tương lai.
"Các ứng dụng cụ thể đầu tiên sẽ nằm trong các thiết bị cảm biến và máy tính quy mô nhỏ, trong đó ngoài các tín hiệu điện, chúng ta có thể đưa ánh sáng có bước sóng khác nhau vào như một mức độ tự do bổ sung cho hoạt động. Ví dụ, trước đây chúng tôi đã chứng minh việc sử dụng BPVE trong cảm biến màu không có bộ lọc. Các ví dụ khác bao gồm các thành phần cho máy tính neuromorphic và máy thu năng lượng đa nguồn cho các thiết bị IoT (internet vạn vật)", Bai cho biết.
Mặc dù đã đạt được bước đột phá, vẫn còn rất nhiều công trình nghiên cứu ở phía trước. Bai nhận thức được những thách thức và mục tiêu tương lai rất rõ ràng.
"Trong khi chúng tôi đang tiến bộ trong cơ chế hoạt động bên trong vật liệu, thách thức vẫn nằm ở khoảng cách dải của vật liệu, trong đó lý tưởng nhất là chúng tôi cần một vật liệu đồng thời có khoảng cách dải hẹp (để tối đa hóa khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến) và phân cực tự phát lớn (để tối đa hóa điện áp mạch hở).
"Chúng tôi có những lựa chọn hạn chế cho những vật liệu như vậy. Hầu hết các vật liệu hiện có chỉ sở hữu một khoảng cách băng hẹp hoặc một phân cực tự phát lớn, chứ không phải cả hai. Trong tương lai gần, chúng tôi sẽ cố gắng mở rộng các lựa chọn vật liệu", Bai cho biết.
Ngoài Bai, nhóm nghiên cứu còn có Vasilii Balanov, Jani Peräntie, Jaakko Palosaari và Suhas Yadav.
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
