Quá trình sao chép quang hợp có thể cải thiện các tế bào năng lượng mặt trời
của Đại học Michigan
Ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn (màu tím) được phân lớp trên cấu trúc quang tử giống như gương. Các phân cực — hỗn hợp của ánh sáng, electron và “lỗ trống” — sau đó di chuyển đến máy dò (đĩa cắt ngắn), nơi chúng tạo ra dòng điện. Ảnh: Xinjing Huang và cộng sự
Một loại chất bán dẫn tương đối mới, được xếp lớp trên cùng một cấu trúc giống như gương, có thể bắt chước cách lá di chuyển năng lượng từ mặt trời qua những khoảng cách tương đối dài trước khi sử dụng nó để cung cấp nhiên liệu cho các phản ứng hóa học. Phương pháp này một ngày nào đó có thể cải thiện hiệu quả của pin mặt trời.
Bin Liu, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ về kỹ thuật điện và máy tính, đồng thời là tác giả đầu tiên của nghiên cứu trên tạp chí Optica cho biết: “Vận chuyển năng lượng là một trong những bước quan trọng để thu hoạch và chuyển đổi năng lượng mặt trời trong pin mặt trời.
"Chúng tôi đã tạo ra một cấu trúc có thể hỗ trợ các trạng thái hỗn hợp vật chất nhẹ kết hợp, cho phép vận chuyển năng lượng hiệu quả và đặc biệt là tầm xa."
Một trong những cách mà pin mặt trời mất năng lượng là do dòng điện rò rỉ được tạo ra khi thiếu ánh sáng. Điều này xảy ra trong một phần của pin mặt trời lấy các electron mang điện tích âm và các "lỗ trống" tích điện dương, được tạo ra bởi sự hấp thụ ánh sáng và phân tách chúng tại một điểm tiếp giáp giữa các chất bán dẫn khác nhau để tạo ra dòng điện.
Trong pin mặt trời thông thường, vùng tiếp giáp lớn bằng vùng thu ánh sáng, do đó các electron và lỗ trống không phải đi xa để tiếp cận nó. Nhưng hạn chế là tổn thất năng lượng từ các dòng rò rỉ đó.
Thiên nhiên giảm thiểu những tổn thất này trong quá trình quang hợp bằng các "phức hợp ăng-ten" thu thập ánh sáng lớn trong lục lạp và các "trung tâm phản ứng" nhỏ hơn nhiều, nơi các điện tử và lỗ trống được tách ra để sử dụng trong sản xuất đường. Tuy nhiên, những cặp electron-lỗ trống này, được gọi là exciton, rất khó vận chuyển trong một khoảng cách dài trong chất bán dẫn.
Liu giải thích rằng các phức hợp quang hợp có thể quản lý nó nhờ vào cấu trúc có trật tự cao của chúng, nhưng các vật liệu do con người tạo ra thường quá không hoàn hảo.
Thiết bị mới khắc phục được vấn đề này bằng cách không chuyển đổi hoàn toàn các photon thành exciton — thay vào đó, chúng duy trì chất lượng giống như ánh sáng của chúng. Hỗn hợp photon-electron-lỗ trống được gọi là một polariton. Ở dạng polariton, các đặc tính giống như ánh sáng của nó cho phép năng lượng nhanh chóng vượt qua những khoảng cách tương đối lớn 0,1 mm, thậm chí còn xa hơn khoảng cách mà exciton di chuyển bên trong lá.
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra các phân cực bằng cách xếp lớp chất bán dẫn mỏng, hấp thụ ánh sáng trên đỉnh một cấu trúc quang tử giống như một chiếc gương, và sau đó chiếu sáng nó. Bộ phận đó của thiết bị hoạt động giống như phức hợp ăng-ten trong lục lạp, thu thập năng lượng ánh sáng trên một khu vực rộng lớn. Với sự trợ giúp của cấu trúc giống như gương, chất bán dẫn chuyển các phân cực thành một máy dò, chuyển đổi chúng thành dòng điện.
Stephen Forrest, Giáo sư Đại học Peter A. Franken, cho biết: “Ưu điểm của cách sắp xếp này là nó có khả năng tăng cường đáng kể hiệu suất phát điện của các tế bào năng lượng mặt trời thông thường, nơi các khu vực thu thập ánh sáng và phân tách điện tích cùng tồn tại trong cùng một khu vực. của Kỹ thuật, người dẫn đầu nghiên cứu.
Mặc dù nhóm nghiên cứu biết rằng sự vận chuyển năng lượng đang diễn ra trong hệ thống của họ, nhưng họ không hoàn toàn chắc chắn rằng năng lượng liên tục chuyển động dưới dạng một polariton. Đó có thể là loại photon lướt qua một loạt các exciton trên đường tới máy dò. Họ để lại chi tiết cơ bản này cho công việc trong tương lai, cũng như câu hỏi làm thế nào để chế tạo các thiết bị thu thập ánh sáng hiệu quả để khai thác sự chuyển giao năng lượng giống như quang hợp.
