Các nhà tạo ra tấm pin Mặt Trời mới vừa trong suốt, lại vừa tự tạo được cả photon ánh sáng cho mình

Công nghệ pin Mặt Trời chưa đạt tới giới hạn, việc ta có thể lấy ánh nắng và chuyển hóa nó thành điện năng vẫn chưa phải mức cao nhất ta có thể đạt được. Thậm chí, tấm pin Mặt Trời vẫn có thể hiện đại hơn được nữa.

Trong lĩnh vực nghiên cứu vẫn còn đầy tiềm năng này, pin Mặt Trời vẫn liên tục được cải tiến. Chẳng hạn như một cửa kính vừa có tác dụng làm cửa sổ đón nắng vào nhà, lại vừa có thể làm tăng hiệu quả của việc tiếp nhận năng lượng của từng hạt photon ánh sáng. Một mức độ hiệu quả như mơ, nhưng điều đó hoàn toàn có thực.

Đây là cách tấm pin năng lượng Mặt Trời mới tận dụng 1 photon đến 2 lần

Một trong những điều khiến tấm pin năng lượng Mặt Trời mất đi điện năng là khi hạt photon chứa nhiều năng lượng hơn sức xử lý của tấm pin.

Để tạo ra một electron điện, vật liệu để làm tấm pin Mặt Trời (thường là silicon) sẽ hút photon có một mức năng lượng đủ cao, gọi là cách biệt dải – band gap. Photon mà có mức năng lượng thấp hơn cách biệt dải, nso sẽ không tạo ra được electron. Vậy còn những photon có lượng năng lượng lớn hơn band gap thì sao?

Nó hoàn toàn có thể tạo electron, có điều lượng năng lượng thừa sẽ rất lớn, sẽ tỏa ra dưới dạng nhiệt. Cuối quá trình tạo điện từ ánh sáng này, tất cả các electron sẽ thoát ra khỏi tấm pin với lượng năng lượng tương với band gap của vật chất tạo nên nó. Rõ ràng nếu ta tìm cách giữ lại được số năng lượng thoát ra, ta sẽ khiến tấm pin Mặt Trời hiệu quả hơn nhiều.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm các nhà khoa học sử dụng hạt nano trộn với kim loại đất hiếm ytterbium. Trùng hợp thay, ytterbium có đặc tính phát ra ánh sáng với bước sóng gần giống với loại ánh sáng silicon hấp thu được. Hơn nữa, ytterbium – với đúng hoàn cảnh – sẽ hấp thu cả photon xanh/tím và phát ra hai photon mà silicon "ưa thích". Và thế vẫn chưa hết, ytterbium không hấp thụ những photon mà nó phát ra, nó không ảnh hưởng gì tới quá trình hoạt động của tấm pin Mặt Trời silicon.

Sự kết hợp giữa hai vật liệu sẽ tạo ra một tấm pin Mặt Trời chưa từng có trước đây. Đó sẽ là tấm hấp thụ ánh sáng xanh, tạo ra hai photon hồng ngoại với mỗi photon xanh nhận vào. Những photon hồng ngoại bay xuyên qua mọi thứ trừ vật liệu silicon làm nên tấm pin. Silicon hấp thu photon hồng ngoại, tạo ra 2 electron với mỗi photon ánh sáng xanh va chạm với nguyên tử ytterbium.

Theo tính toán của các nhà khoa học, hiệu năng của tấm pin Mặt Trời sẽ cao lên 160%. Vẫn chưa hết tin tốt.

Điều hướng ánh sáng

Quá trình "biến một photon thành hai photon" còn có thêm những lợi ích khác. Các nhànghiên cứu tạo ra vật liệu kính polymer phủ các hạt nano. Các hạt này hấp thụ ánh sáng xanh sâu và cực tím từ quang phổ của tấm pin Mặt Trời, nhưng vẫn cho phép các photon ánh sáng khác lọt qua. Ta có được một tấm hấp thụ ánh Mặt Trời trong suốt.

Khi ytterbirum tạo ra ánh sáng hồng ngoại, nó sẽ phản lại vào tấm kính. Kính sẽ được đặt một cách khéo léo để dẫn ánh sáng tạo được ra phần rìa, nơi có các tấm pin Mặt Trời silicon đang đợi sẵn.

Kết quả cuối cùng: ta có một hệ thống hấp thu ánh sáng Mặt Trời vô cùng hiệu quả. Ánh sáng xanh tạo ra ánh sáng hồng ngoại với độ hiệu quả lên tới 180%. Các con số đều lớn và tiềm năng, nhưng nghiên cứu mới vẫn chỉ ở giai đoạn đầu, chúng ta vẫn chưa có những sản phẩm thực tế thực sự hiệu quả.

Tương lai vẫn còn ở phía trước

Đó không phải lý do khiến ta ngừng mong đợi một tấm pin Mặt Trời trong suốt. Mức độ hiệu quả của việc hấp thu ánh sáng Mặt Trời vẫn còn có thể được đẩy cao hơn nữa. Các nhà nghiên cứu tuyên bố với công nghệ và các vật liệu hiện tại, ta có thể gấp ba lần con số vốn đã rất ấn tượng.

Ví dụ như hệ thống điều hướng ánh sáng chẳng hạn, ta có thể giảm thiểu năng lượng mất mát trong việc đưa ánh sáng từ điểm này sang điểm khác, đảm bảo rằng mọi ánh sáng hồng ngoại đều chạm tới được tấm pin Mặt Trời. Và nếu khác hàng không ngại ngần sở hữu một tấm cửa kính pin năng lượng Mặt Trời có màu hơi ngả vàng chút, ta có thể tăng độ hiệu quả của pin bằng việc sử dụng phần ánh sáng xanh trong quang phổ ánh sáng.

Và cuối cùng, silicon không phải vật liệu làm pin Mặt Trời duy nhất. Có những thứ hiệu quả hơn, chỉ có điều hơi đắt thôi. Thế nhưng khi kết hợp thêm hệ thống điều hướng ánh sáng, ta chỉ cần dải pin Mặt Trời đặt tại viền của cửa sổ hấp thụ ánh nắng.

Nói thì đơn giản, nhưng để làm được một tấm pin năng lượng Mặt Trời trong suốt không phải dễ. Một thứ thiết bị hiệu quả tới vậy cần rất nhiều công sức nghiên cứu về nhiều khía cạnh khác nhau. Nhưng hãy tự tin là một khi các nhà khoa học chứng minh được nó khả thi, họ sẽ làm mọi cách để khiến nó hiệu quả gấp vài lần hiện tại.

Tham khảo Ars Technica