Nghiên cứu tạo pin mặt trời 'vượt giới hạn vật lý'

Ảnh minh họa: TTXVN

Bằng cách sử dụng một phức chất kim loại có khả năng "đảo spin" (spin-flip), họ đã thu nhận và nhân lên năng lượng từ ánh sáng mặt trời thông qua một quá trình gọi là phân hạch singlet. Đột phá này giúp đạt hiệu suất khoảng 130%, nghĩa là số lượng hạt mang năng lượng được tạo ra còn nhiều hơn số lượng hạt ánh sáng (photon) hấp thụ ban đầu, mở đường cho những tấm pin mặt trời mạnh mẽ hơn trong tương lai.

Năng lượng mặt trời đóng vai trò then chốt trong nỗ lực giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và chống biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, các tấm pin hiện đại chỉ thu được một phần nhỏ trong nguồn năng lượng khổng lồ mà Trái Đất nhận được mỗi giây. Hạn chế này xuất phát từ một "bức trần vật lý" rất khó vượt qua: giới hạn Shockley-Queisser.

Trong pin mặt trời, dòng điện được tạo ra khi photon truyền năng lượng cho electron, kích thích chúng chuyển động. Tuy nhiên, các photon hồng ngoại năng lượng thấp không đủ sức kích hoạt electron, trong khi các photon năng lượng cao (như ánh sáng xanh) lại lãng phí phần năng lượng dư thừa dưới dạng nhiệt. Hậu quả là pin mặt trời thông thường chỉ tận dụng được khoảng một phần ba lượng ánh sáng đi tới.

Để phá vỡ rào cản này, nhóm nghiên cứu từ Đại học Kyushu (Nhật Bản) phối hợp cùng Đại học Johannes Gutenberg Mainz (JGU, Đức) đã tìm đến công nghệ phân hạch singlet (SF) - vốn được xem là "công nghệ trong mơ" để cải thiện quá trình chuyển đổi ánh sáng. Nghiên cứu mang tính đột phá này vừa được công bố trên tạp chí Journal of the American Chemical Society.

Phó giáo sư Yoichi Sasaki từ Khoa Kỹ thuật của Đại học Kyushu giải thích: "Chúng tôi có hai chiến lược chính để đột phá giới hạn này. Một là chuyển đổi các photon hồng ngoại năng lượng thấp thành các photon ánh sáng nhìn thấy có năng lượng cao hơn. Chiến lược còn lại, cũng là điều chúng tôi khám phá ở đây, là sử dụng SF để tạo ra hai exciton từ một photon exciton duy nhất".

Dưới điều kiện bình thường, mỗi hạt ánh sáng chỉ tạo ra một exciton (cặp electron - lỗ trống mang năng lượng) ở trạng thái singlet. Nhưng với SF, exciton này có thể phân tách thành hai exciton ở trạng thái triplet mang năng lượng thấp hơn, giúp nhân đôi nguồn năng lượng có sẵn. Tuy nhiên, việc thu giữ các exciton này hiệu quả lại là một thách thức cực kỳ lớn.

Ông Sasaki cho biết thêm: "Năng lượng có thể dễ dàng bị 'đánh cắp' bởi một cơ chế gọi là truyền năng lượng cộng hưởng Förster (FRET) trước khi quá trình nhân lên diễn ra. Do đó, chúng tôi cần một chất nhận năng lượng có khả năng chọn lọc thu giữ các exciton triplet đã được nhân lên sau quá trình phân hạch."

Giải pháp của nhóm nghiên cứu nằm ở một phức chất kim loại dựa trên gốc molypden đóng vai trò như một bộ phát "đảo spin". Trong hệ thống này, một electron sẽ thay đổi spin (mô-men động lượng góc) của nó trong quá trình hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng cận hồng ngoại. Nhờ sự tinh chỉnh các mức năng lượng một cách cẩn thận, hệ thống đã giảm thiểu tối đa sự thất thoát do FRET và "bắt" trọn thành công năng lượng triplet sinh ra từ quá trình phân hạch.

Ông Sasaki cũng nhấn mạnh: "Chúng tôi không thể đạt được kết quả này nếu thiếu nhóm nghiên cứu Heinze từ JGU Mainz", những người đã giúp họ chú ý đến loại vật liệu quan trọng này.

Khi kết hợp hệ thống mới với vật liệu gốc tetracene trong dung dịch, các nhà khoa học đã thu hoạch năng lượng thành công với hiệu suất lượng tử lên tới khoảng 130%. Điều này đồng nghĩa với việc cứ mỗi photon được hấp thụ, có tới 1,3 phức chất kim loại được kích hoạt. Lượng hạt mang năng lượng sinh ra đã chính thức vượt qua lượng hạt ánh sáng đi vào, phá vỡ giới hạn 100% thông thường của một hệ thống.

Mặc dù vẫn đang ở giai đoạn chứng minh khái niệm, nghiên cứu này đã giới thiệu một chiến lược hoàn toàn mới để khuếch đại hạt mang năng lượng. Mục tiêu tiếp theo của các nhà khoa học là tích hợp vật liệu này vào các hệ thống trạng thái rắn để cải thiện quá trình truyền năng lượng, tiến gần hơn đến các ứng dụng thực tế trên tấm pin mặt trời. Không dừng lại ở đó, công nghệ kết hợp giữa phân hạch singlet và phức chất kim loại này còn hứa hẹn mang lại những bước tiến lớn cho đèn LED và các công nghệ lượng tử mới nổi.

Thanh Tùng (TTXVN)