Khám phá cải thiện hiệu quả năng lượng mặt trời silicon

Một nhóm các nhà khoa học và kỹ sư của UNSW Sydney đã tìm ra cách vượt qua một trong những giới hạn lớn nhất trong công nghệ tái tạo.

Hầu hết các tấm pin mặt trời ngày nay đều được làm từ silicon – một công nghệ đáng tin cậy và rẻ tiền. Tuy nhiên, hiệu quả của silicon vẫn có những hạn chế, với các tế bào thương mại tốt nhất hiện nay chuyển đổi khoảng 27% ánh sáng mặt trời thành điện năng. Mức trần lý thuyết là khoảng 29,4%.

Phân hạch đơn cung cấp một cách để vượt qua rào cản đó. Phân hạch đơn là một quá trình trong đó một hạt ánh sáng – một photon – có thể được chia thành hai gói năng lượng, tăng gấp đôi hiệu quả sản lượng điện khi áp dụng cho các công nghệ khai thác năng lượng mặt trời.

trong một nghiên cứu gần đâynhóm UNSW — được gọi là ‘Omega Silicon’— đã trình bày cách hoạt động của vật liệu này trên một vật liệu hữu cơ mà một ngày nào đó có thể được sản xuất hàng loạt đặc biệt để sử dụng với các tấm pin mặt trời.

Tiến sĩ Ben Carwithen, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại UNSW, cho biết: “Phần lớn năng lượng từ ánh sáng trong pin mặt trời bị lãng phí dưới dạng nhiệt – bản thân nhiệt cũng là một dạng năng lượng”. Trường Hóa học.

“Chúng tôi đang tìm cách tận dụng năng lượng lãng phí đó và biến nó thành nhiều điện năng hơn.”

Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào một số vật liệu hữu cơ nhất định, một photon năng lượng cao có thể tạo ra hai kích thích năng lượng thấp hơn. Vì vậy, hai gói năng lượng có thể sử dụng được tạo ra, thay vì chỉ một.

Giáo sư Ned Ekins-Daukes, trưởng dự án và người đứng đầu Trường Kỹ thuật Năng lượng Quang điện & Tái tạo của UNSW cho biết: “Việc đưa phản ứng phân hạch đơn vào tấm pin mặt trời silicon sẽ làm tăng hiệu quả của nó”. “Nó cho phép một lớp phân tử cung cấp thêm dòng điện cho bảng điều khiển.”

Cho đến nay, thách thức là tìm ra vật liệu phù hợp. Công việc trước đó của các nhóm khác đã sử dụng một hợp chất gọi là tetracene, hợp chất này hoạt động tốt trong phòng thí nghiệm nhưng sau đó phân hủy quá nhanh trong không khí và độ ẩm nên không thể thực hiện được.

Nhóm UNSW hiện đã chứng minh rằng một hợp chất có tên DPND, hay dipyrrolonaphthyridinedione, có thể thực hiện công việc tương tự trong khi vẫn ổn định trong điều kiện ngoài trời trong thế giới thực.

Carwithen cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh rằng bạn có thể kết nối silicon với vật liệu ổn định này, vật liệu này trải qua quá trình phân hạch đơn và sau đó bơm thêm điện tích”. “Đây vẫn là bước đầu, nhưng đây là minh chứng đầu tiên cho thấy điều này thực sự có thể hoạt động trong một hệ thống thực tế.”

Phát hiện này được xây dựng dựa trên hơn một thập kỷ nghiên cứu cơ bản do Giáo sư Tim Schmidt, người đứng đầu Trường Hóa học của UNSW dẫn đầu. Nhóm của ông đã sử dụng từ trường để khám phá một phần quan trọng của quá trình phân hạch đơn.

Schmidt cho biết: “Nghiên cứu trước đây của chúng tôi đề cập đến lộ trình của quá trình này. “Chúng tôi đã sử dụng từ trường để điều khiển ánh sáng phát ra và tiết lộ cách thức phân hạch đơn lẻ xảy ra. Điều này chưa từng được thực hiện trước đây.”

Bằng cách hiểu rõ những nguyên lý vật lý cơ bản này, các nhà nghiên cứu đã có thể thiết kế các vật liệu và cấu trúc lớp tốt hơn để tạo ra hiệu ứng hiệu quả hơn.

Schmidt nói: “Những màu sắc khác nhau của ánh sáng mang những năng lượng khác nhau. “Ánh sáng xanh có nhiều năng lượng hơn, nhưng phần lớn năng lượng đó bị mất đi dưới dạng nhiệt trong pin mặt trời thông thường. Thay vào đó, với phản ứng phân hạch đơn, năng lượng dư thừa đó có thể biến thành điện năng có thể sử dụng được.”

Tác giả giám sát UNSW Phó giáo sư Murad Tayebjee cho biết công trình này là “một bước tiến lớn” đối với công nghệ tấm pin mặt trời.

Tayebjee cho biết: “Đây là minh chứng đầu tiên về sự phân hạch đơn lẻ trên silicon bằng cách sử dụng một phân tử hữu cơ tương đối ổn định dựa trên các chất màu công nghiệp”.

Sắc tố là thứ cung cấp màu sắc. Màu sắc hấp thụ ánh sáng. Các chất màu công nghiệp không bị phân hủy theo thời gian, chẳng hạn như các chất màu được sử dụng trong sơn ô tô.

Công nghệ mới hoạt động bằng cách thêm một lớp hữu cơ siêu mỏng lên trên cùng của một tế bào silicon thông thường.

“Về nguyên tắc, nó chỉ là sơn thêm một lớp lên trên kiến ​​trúc hiện có,” Carwithen nói. “Chúng ta cần tìm ra cách để nó hoạt động, nhưng không có lý do gì mà nó không thể.”

Giới hạn lý thuyết đối với các tấm pin mặt trời sử dụng phản ứng phân hạch đơn là hiệu suất khoảng 45% – một bước tiến vượt bậc so với công nghệ hiện tại.

Carwithen nói: “Đẩy tới 30% đã là điều tuyệt vời rồi. “Nhưng có một mức trần cao hơn mà chúng tôi hy vọng có thể đạt tới.”

Cơ quan Năng lượng tái tạo Úc (ĐẤU TRƯỜNG) đã chọn dự án phân hạch đơn của UNSW vào năm 2023 cho chương trình Năng lượng mặt trời chi phí cực thấp, nhằm mục đích cung cấp các tấm pin có hiệu suất hơn 30% với chi phí dưới 30 xu mỗi watt vào năm 2030.

Bảy trong số các công ty năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới đã theo dõi chặt chẽ nhóm Omega Silicon.

Carwithen nói: “Chúng tôi có các đối tác trong ngành đang chờ đợi. “Họ sẵn sàng giúp thương mại hóa sản phẩm này nếu chúng tôi có thể chứng minh nó hoạt động được trong phòng thí nghiệm.”

Ông ước tính một bằng chứng khái niệm quy mô nhỏ có thể sẵn sàng trong vòng vài năm nữa – nhưng thừa nhận khoa học không phải lúc nào cũng đi theo đường thẳng.

Ông nói: “Có thể có một bước đột phá lớn vào tuần tới và mọi thứ đều ổn”. “Nhưng mốc thời gian thực tế hơn là 5 năm.”

Công việc thử nghiệm được dẫn dắt bởi một nhóm nghiên cứu đa ngành trên nhiều trường tại UNSW, từ hóa học (Tiến sĩ Matthew Brett) đến vật lý (Tiến sĩ Alex Baldacchino) đến quang điện (Tiến sĩ Shona McNab, Jingnan Tong và Victor Zhang).

Tín dụng hình ảnh: iStock.com/không xác định không xác định