Các nhà khoa học từ MIT đã cải tiến các tế bào quang điện silicon hiện có bằng phương pháp phân tách exciton đơn. Điều này có thể tăng hiệu suất của các tế bào quang điện từ 18% lên tới 35%, do đó tăng gấp đôi sản lượng năng lượng và giảm chi phí công nghệ năng lượng mặt trời.
Việc giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và phát triển các công nghệ cho một tương lai bền vững đang trở nên vô cùng cấp thiết. Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng tái tạo, trong đó ánh sáng mặt trời được chuyển hóa thành năng lượng điện. Pin mặt trời thường được làm từ silicon, sử dụng quá trình quang điện để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Các pin mặt trời ghép nối tiếp cũng đang được thiết kế, thường bao gồm các tế bào perovskite, trong đó mỗi phần của pin mặt trời có thể khai thác năng lượng mặt trời từ nhiều phổ khác nhau và do đó có hiệu suất cao hơn. Hiệu suất của các pin mặt trời hiện có chỉ giới hạn ở mức 15-22%.
Một nghiên cứu được công bố ngày 3 tháng 7 trên tạp chí Nature đã chứng minh cách nâng cao hiệu suất của pin mặt trời silicon lên tới 35% bằng cách áp dụng hiệu ứng gọi là phân tách exciton đơn. Trong hiệu ứng này, một hạt ánh sáng (photon) có thể tạo ra hai cặp electron-lỗ trống thay vì chỉ một. Hiện tượng phân tách exciton đơn đã được quan sát thấy ở nhiều vật liệu kể từ khi được phát hiện vào những năm 1970. Nghiên cứu hiện tại nhằm mục đích lần đầu tiên ứng dụng hiệu ứng này vào một pin mặt trời khả thi.
Các nhà nghiên cứu đã chuyển hiệu ứng phân tách exciton đơn từ tetracene – một vật liệu đã biết có đặc tính này – sang silicon tinh thể. Vật liệu tetracene là một chất bán dẫn hữu cơ hydrocarbon . Quá trình chuyển giao được thực hiện bằng cách đặt thêm một lớp mỏng hafnium oxynitride (8 angstrom) giữa lớp exciton tetracene và pin mặt trời silicon , sau đó ghép nối chúng lại với nhau.
Lớp hafni oxynitride mỏng manh này đóng vai trò như một cầu nối, giúp tạo ra các photon năng lượng cao trong lớp tetracene, từ đó kích hoạt sự giải phóng hai electron trong tế bào silicon thay vì chỉ một electron như thông thường. Việc tăng độ nhạy của tế bào quang điện silicon này giúp giảm tổn thất do quá trình nhiệt hóa và cho phép độ nhạy sáng tốt hơn. Sản lượng năng lượng của các tế bào quang điện tăng gấp đôi do tạo ra nhiều năng lượng hơn từ các phần màu xanh lá cây và xanh lam của quang phổ. Điều này có thể nâng cao hiệu suất của các tế bào quang điện lên tới 35%. Công nghệ này khác với các tế bào quang điện song song ở chỗ nó chỉ bổ sung thêm dòng điện vào silicon mà không cần thêm các tế bào khác.
Nghiên cứu hiện tại đã chứng minh các tế bào năng lượng mặt trời silicon đơn phân hạch ngẫu nhiên có thể tăng hiệu suất và do đó giảm chi phí sản xuất năng lượng tổng thể của công nghệ năng lượng mặt trời.
***
{Bạn có thể đọc tài liệu nghiên cứu gốc bằng cách nhấp vào liên kết DOI đưa ra bên dưới trong danh sách (các) nguồn được trích dẫn}
Nguồn
Einzinger, M. và cộng sự. 2019. Sự nhạy cảm của silicon do sự phân tách exciton đơn trong tetracene. Nature. 571. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1339-4
