Từ cánh bướm xanh lấp lánh, Đức phát triển 'siêu pin mặt trời tàng hình'

Một nghiên cứu gần đây cho thấy, khi các mô-đun quang điện được tô màu để phù hợp với mái hoặc mặt tiền của một tòa nhà hiện có, mức độ chấp nhận của xã hội tăng lên.

Tuy nhiên, việc cân bằng giữa yếu tố thẩm mỹ và hiệu suất năng lượng từ lâu đã là một thách thức đối với các nhà nghiên cứu năng lượng mặt trời. Bởi, các mô-đun quang điện tích hợp trong kiến trúc cần phải có màu sắc giống như các vật liệu xây dựng truyền thống nhưng vẫn phải tạo ra lượng điện năng tối đa.

Lấy cảm hứng từ cấu trúc quang tử 3D trên đôi cánh xanh lấp lánh của loài bướm Morpho, các nhà khoa học tại Viện Các hệ thống năng lượng mặt trời Fraunhofer ISE (Đức) đã phát triển các tấm pin mặt trời có màu, có thể tích hợp gần như vô hình vào mặt ngoài của tòa nhà mà vẫn duy trì hiệu suất cao.

Siêu pin mặt trời tàng hình được phát triển từ cảm hứng đôi cánh bướm xanh lấp lánh 3D.

Năm 2024, Viện Tâm lý học thuộc Đại học Freiburg (Đức) và Viện các hệ thống năng lượng mặt trời Fraunhofer ISE đã cùng thực hiện một nghiên cứu về mức độ chấp nhận xã hội đối với quang điện tích hợp trong tòa nhà (BIPV). Kết quả cho thấy sự chấp nhận của công chúng đối với BIPV trong khu vực đô thị nhìn chung rất cao. Các tòa nhà hiện đại có hệ thống PV cũng được đánh giá tích cực hơn so với các công trình lịch sử.

Nghiên cứu cũng chỉ ra, khi các mô-đun PV được thiết kế để hòa hợp với mái nhà hoặc mặt tiền, khiến chúng gần như vô hình thì mức độ chấp nhận xã hội tăng lên đáng kể, đến mức không còn sự khác biệt giữa các loại công trình.

"Một phát hiện quan trọng của nghiên cứu là sự chấp nhận của xã hội đối với hệ thống PV phụ thuộc chủ yếu vào loại công trình và ấn tượng thị giác. Hai yếu tố này có ảnh hưởng lớn hơn nhiều so với các biến số cá nhân như giá trị cá nhân, quan điểm chính trị hay mối quan tâm về môi trường", các tác giả kết luận.

Hiện nay, 75% công suất điện mặt trời lắp đặt tại Đức nằm trên các tòa nhà. Thị trường điện mặt trời trên các công trình xây dựng đang liên tục phát triển và có tiềm năng rất lớn.

Để quá trình chuyển đổi năng lượng ở Đức thành công, cần khoảng 400GW công suất PV được lắp đặt vào năm 2045. Với tiềm năng kỹ thuật lên tới 1.000GW, điện mặt trời trên các tòa nhà có thể đóng góp đáng kể vào quá trình khử carbon trong lĩnh vực xây dựng và cơ sở hạ tầng mà không cần chiếm thêm diện tích đất.

Theo đó, việc “sử dụng kép” những bề mặt đã được phủ kín này không chỉ hấp dẫn các khu đô thị trên khắp thế giới mà còn cho phép tạo ra điện với chi phí thấp ngay tại nơi có nhu cầu sử dụng.

Tuy nhiên, các tấm pin mặt trời đôi khi có thể trông lạc lõng khi được lắp đặt trên mái nhà và mặt tiền, đặc biệt là trong các khu trung tâm lịch sử của thành phố.

Pin mặt trời tàng hình này vừa đáp ứng nhu cầu thẩm mỹ vừa đạt hiệu suất sử dụng cao.

Song, một nghiên cứu về mức độ chấp nhận của xã hội đối với quang điện tích hợp trong tòa nhà (BIPV) cho thấy, đối với các công trình hiện có, việc sử dụng các mô-đun PV có màu sắc hài hòa với tổng thể kiến trúc sẽ hợp lý hơn so với việc dùng PV như một điểm nhấn kiến trúc.

Do đó, đối với ngành công nghiệp PV, việc cung cấp đa dạng các loại mô-đun PV có tính thẩm mỹ khác nhau là rất quan trọng để phù hợp với nhiều kiểu công trình hiện hữu.

Thế nhưng, các sản phẩm BIPV có màu sắc là hiệu suất năng lượng còn hạn chế. Việc đơn giản như sơn lên tấm kính che của mô-đun PV khiến các sắc tố màu cản trở ánh sáng mặt trời, làm hạn chế lượng ánh sáng đến với các tế bào năng lượng.

Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu tại Fraunhofer ISE đã tìm cảm hứng từ thiên nhiên và chọn loài bướm Morpho làm hình mẫu.

Các cấu trúc quang học 3D trên cánh bướm cho phép tạo ra một ấn tượng màu sắc đậm nét và ổn định theo mọi góc nhìn nhờ vào hiệu ứng giao thoa có tổn thất cơ bản thấp. Từ đó, các nhà khoa học đã thành công trong việc sử dụng quy trình chân không để tạo ra cấu trúc bề mặt tương tự ở mặt sau của tấm kính che các tấm pin mặt trời. Tùy vào cấu trúc vi mạch, có thể sản xuất các tấm kính che với đa dạng màu sắc cũng như các mảng màu.

Hệ thống lớp phủ được phát triển cho các tấm pin mặt trời có màu nay đã vượt qua mô hình sinh học về mặt tính chất. Các phép đo độc lập xác nhận rằng các tấm pin mặt trời có màu với lớp phủ cấu trúc thay vì lớp sơn thông thường có thể đạt được khoảng 95% công suất của một tấm pin không được phủ màu tương đương.

Giải pháp này có thể được áp dụng cho tất cả các công nghệ năng lượng mặt trời thương mại tiêu chuẩn hiện nay cũng như những công nghệ có thể xuất hiện trong tương lai, đồng thời được sản xuất công nghiệp với chi phí thấp.

Theo PV

Tâm An