Pin năng lượng mặt trời polyme mới

Các loại pin mặt trời hữu cơ thường được chế tạo từ hai dạng nguyên liệu: một chất cho và một chất nhận, tạo điều kiện tách điện tích hiệu quả. Đối với chất nhận, phân tử thường được sử dụng nhiều nhất là fullerene hấp thụ tia sáng xanh. Điều đó khiến cho phổ hấp thụ của vật cho có thể bao phủ càng rộng càng tốt trên dải quang phổ mặt trời. Nhưng hầu hết các chất bán dẫn hữu cơ đều có độ rộng băng tần quang nhỏ. Kết quả là, các loại pin mặt trời dựa trên các nguyên liệu như vậy chỉ có thể bắt được một phần nhỏ của dải quang phổ mặt trời.

Vấn đề này có thể được khắc phục bằng một cấu hình thiết kế phù hợp bằng cách xếp chồng (stacked) hoặc xếp tiếp đôi (tandem), trong đó các vật liệu hữu cơ được điều chỉnh để mỗi loại hấp thụ một phần dãy phổ riêng, nhờ đó làm tăng hiệu quả của thiết bị nói chung. Các loại vật liệu bán dẫn có khe dải (bandgap) cao thường hấp thụ bức xạ bước sóng ngắn, phần bước sóng dài hơn được truyền đến các chất bán dẫn tiếp theo.

Trong bối cảnh đó, các nhà nghiên cứu đã đặt nhiều hy vọng vào sự phát triển các loại pin mặt trời có cấu trúc chuyển tiếp đa tầng (multi-junction) để đạt được hiệu suất của pin vượt xa hiệu suất của pin quang điện hữu cơ đơn tầng.

Về lý thuyết, một tế bào năng lượng mặt trời với số lượng vô hạn các tầng chuyển tiếp có thể đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng tối đa (power conversion efficiency - PCE) là gần 87% dưới ánh sáng mặt trời có độ tập trung cao. Thách thức đặt ra là cần phát triển một hệ thống vật liệu bán dẫn có thể đạt được phạm vi rộng các khe dải và đạt chất lượng tinh thể cao.

Công trình nghiên cứu mới của phòng thí nghiệm Yang Yang tại Đại học California, Los Angeles (UCLA), một trong những phòng thí nghiệm hàng đầu nghiên cứu về pin mặt trời hữu cơ cấu trúc ghép tiếp đôi, đã thiết kế thành công pin mặt trời hữu cơ ghép chuyển tiếp ba tầng với cấu hình khe dải năng lượng được thiết kế để tối đa hóa dòng quang điện tạo thành.

Sự đổi mới quan trọng trong nghiên cứu được công bố Tạp chí Advanced Materials là việc đạt được hiệu suất kỷ lục trong thiết kế pin năng lượng mặt trời III-V có cấu trúc ghép chuyển tiếp ba tầng.

Các pin năng lượng mặt trời đa tầng III-V được chế tạo bằng công nghệ GaInP/GaInAs/Ge tiêu chuẩn công nghiệp đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng thuộc loại cao nhất trong số các loại pin năng lượng mặt trời, với mức kỷ lục hiện đạt cao hơn 40%.

Theo Chun-Chao Chen, thành viên nhóm nghiên cứu và là tác giả của bài báo giải thích: "Trong pin năng lượng mặt trời đa tầng III-V, sự sắp xếp tối ưu ghép tiếp đuôi ba tầng cho dòng điện ra cao, với một chất hấp thụ khe dải rộng (2,0-1,85 eV), một chất hấp thụ khe dải trung bình (1,4-1,2 eV), và một chất hấp thụ khe dải thấp (1,0-0,7 eV)". Tuy nhiên, nguyên lý thiết kế tối ưu này không thể áp dụng trực tiếp cho các loại pin mặt trời hữu cơ, do thiếu vật liệu có khe dải nhỏ 1 eV. Vì thế các nhà nghiên cứu đã thực hiện một sự kết hợp thực tế các khe dải năng lượng của ghép nối ba tầng để phát triển một cấu trúc pin năng lượng mặt trời hữu cơ liên kết tiếp đôi hiệu quả.

Trong thiết kế của mình, nhóm nghiên cứu sử dụng ba loại vật liệu với các khe dải năng lượng khác nhau (1,9, 1,58, và 1,4 eV) để làm các vật cho điện tử, kết hợp với các dẫn xuất fullerene. Bằng sắp xếp các khe dải năng lượng như vậy, họ đã chế tạo loại pin năng lượng mặt trời ghép chuyển tiếp ba tầng hiệu suất cao có PCE đạt cao hơn 11% so với hiệu suất kỷ lục của pin mặt trời tiếp đôi ba tầng đã được thiết kế trước đây cũng của nhóm nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm Yang.

Các vấn đề đặc biệt trong pin mặt trời ghép chuyển tiếp ba tầng đó là hiệu ứng giao thoa quang phức tạp giữa các tế bào nhỏ (subcell) trong ghép nối. Trong ghép nối đuôi hai tầng, có thể dễ dàng giải quyết hiệu ứng quang. Tuy nhiên, trong cấu trúc ghép ba tầng, không thể sử dụng phương pháp thử và sai để tìm ra độ dày lớp hấp thụ tối ưu đối với mỗi tế bào lớp dưới.

Để giải quyết vấn đề này, và để hiểu được mỗi một tế bào lớp dưới hoạt động như thế nào và có thể cung cấp dòng điện là bao nhiêu, nhóm nghiên cứu đã tiến hành những mô phỏng quang chi tiết hơn và sâu hơn với từng subcell.

Nhóm nghiên cứu đã đưa ra một cấu trúc đơn giản và hiệu quả để kết nối các subcell trong pin năng lượng mặt trời tầng tiếp đuôi. Cấu trúc này được chế tạo từ WO3/PEDOT: PSS/ZnO, đã được xử lý hoàn toàn bằng dung dịch, do đó có được lợi thế xử lý trực giao (orthogonal processing) của pin năng lượng mặt trời hữu cơ không thay đổi - bất kể có bao nhiêu tầng ghép nối được thêm vào.

Theo nhóm nghiên cứu UCLA, thiết kế này giúp củng cố niềm tin vào cấu trúc chuyển tiếp đa tầng đối với pin năng lượng mặt trời hữu cơ và nó cũng chỉ ra rằng sự đổi mới về cấu trúc thiết bị có khả năng thúc đẩy hiệu suất của công nghệ pin mặt trời hữu cơ lên tầm sánh ngang với pin quang điện vô cơ.

Nhóm nghiên cứu tin tưởng rằng kinh nghiệm và kiến thức của họ thu được từ thiết kế pin năng lượng mặt trời chuyển tiếp đa tầng có thể áp dụng cho các công nghệ quang điện khác, ví dụ như tế bào năng lượng mặt trời lai (hybrid solar cells); pin mặt trời perovskite; pin năng lượng mặt trời CIGS.

Theo Vista.vn