Tin Khoa học Công nghệ quốc tế

Pin mặt trời có tuổi thọ 30 năm cho các cửa sổ phát điện

04/01/2022 | 0

Xinjing Huang, một nghiên cứu sinh tiến sĩ làm việc tại Phòng thí nghiệm của Giáo sư Forrest, đang nắm giữ một mô-đun pin mặt trời có độ trong suốt 40%, dựa trên công thức có tuổi thọ ước tính là 30 năm. Ảnh: Robert Coelius / Michigan Engineering.

Nghiên cứu do Đại học Michigan tiến hành đã chỉ ra rằng, một thiết kế về pin mặt trời thân thiện có thể đạt được hiệu quả cao với tuổi thọ ước tính là 30 năm. Nó có thể mở đường cho phát triển các cửa sổ cũng có thể cung cấp nguồn năng lượng từ mặt trời.
Stephen Forrest , Giáo sư Kỹ thuật Điện tại Đại học Peter A. Franken, Trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: “Năng lượng mặt trời là dạng năng lượng rẻ nhất mà nhân loại từng sản xuất kể từ cuộc cách mạng công nghiệp. Với những thiết bị này được sử dụng trên cửa sổ, tòa nhà của bạn sẽ trở thành một nhà máy điện”. 
Trong khi silicon vẫn là đứng đầu để sản suất các tấm năng lượng mặt trời có hiệu quả, nó không trong suốt. Đối với các tấm pin mặt trời thân thiện với cửa sổ, các nhà nghiên cứu đã và đang khám phá các vật liệu hữu cơ - hoặc các vật liệu dựa trên carbon. Thách thức đối với nhóm của Forrest là làm thế nào để ngăn các vật liệu chuyển đổi ánh sáng hữu cơ rất hiệu quả không bị phân hủy nhanh chóng trong quá trình sử dụng. 
Điểm mạnh và điểm yếu của những vật liệu này nằm ở các phân tử chuyển các electron quang điện đến các điện cực, dẫn đến mạch sử dụng hoặc lưu trữ năng lượng mặt trời. Những vật liệu này thường được gọi là “chất chấp nhận không fullerene” để phân biệt chúng với “chất nhận fullerene” mạnh hơn nhưng kém hiệu quả hơn được làm bằng lưới carbon kích thước nano. Các tế bào năng lượng mặt trời được làm bằng chất nhận không fullerene kết hợp lưu huỳnh có thể đạt được hiệu suất cạnh tranh với silicon là 18%, nhưng chúng không tồn tại được lâu.
Nhóm nghiên cứu, bao gồm các nhà nghiên cứu tại Đại học Bang North Carolina, Đại học Thiên Tân và Đại học Chiết Giang ở Trung Quốc, đã đặt ra mục tiêu thay đổi điều đó. Trong các thí nghiệm của mình, họ chỉ ra rằng nếu không bảo vệ vật liệu chuyển đổi ánh sáng mặt trời, hiệu suất giảm xuống dưới 40% giá trị ban đầu trong vòng 12 tuần tương đương 1 đơn vị chiếu sáng của mặt trời.
Các chất nhận không phải fullerene tạo nên hiệu suất rất cao, nhưng chứa các liên kết yếu dễ phân ly dưới các hạt năng lượng cao, đặc biệt là các UV [cực tím] phổ biến trong ánh sáng mặt trời, Yongxi Li, trợ lý nhà khoa học nghiên cứu về kỹ thuật điện và khoa học máy tính và là tác giả đứng đầu của bài báo trên Nature Communications.
Bằng cách nghiên cứu bản chất của sự suy thoái trong các tế bào năng lượng mặt trời không được bảo vệ đó, nhóm nghiên cứu nhận ra rằng chúng chỉ cần bảo vệ ở một vài nơi. Đầu tiên, họ cần phải chặn tia UV đó. Để làm được điều đó, họ đã thêm một lớp oxit kẽm - một thành phần chống nắng phổ biến - ở mặt đối diện với mặt trời của kính. 
Hình ảnh của kính hiển vi điện tử (TEM) về một lát cắt ngang của OPV với các lớp vật liệu được bổ sung (IC-SAM và C70) giữa vật liệu hữu cơ và bộ đệm bên ngoài, sau khi vật liệu được chiếu ánh sáng cường độ cao để tái tạo tuổi ước tính là 30 năm. Nó cho thấy một vùng hoạt động hữu cơ nguyên vẹn mà không có sự phân hủy ở các cạnh. 
Một lớp oxit kẽm mỏng hơn bên cạnh vùng hấp thụ ánh sáng giúp dẫn các electron do mặt trời tạo ra đến điện cực. Thật không may, nó cũng làm hỏng bộ phận hấp thụ ánh sáng mỏng manh, vì vậy nhóm nghiên cứu đã thêm một lớp vật liệu làm từ carbon có tên IC-SAM làm lớp đệm. 
Ngoài ra, điện cực hút các “lỗ trống” tích điện dương - những khoảng trống không có cơ năng được bỏ trống bởi các electron - vào mạch điện cũng có thể phản ứng với chất hấp thụ ánh sáng. Để bảo vệ phần sườn đó, họ đã thêm một lớp đệm khác, lớp đệm này là một lớp fullerene có hình dạng giống như một quả bóng đá.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm hệ thống bảo vệ mới của họ với các cường độ khác nhau của ánh sáng mặt trời mô phỏng từ 1 đơn vị sun điển hình cho đến ánh sáng của 27 đơn vị sun và nhiệt độ lên đến 150 độ F. Bằng cách nghiên cứu hiệu suất bị suy giảm như thế nào trong những điều kiện này, nhóm nghiên cứu đã ngoại suy rằng các tế bào năng lượng mặt trời sẽ vẫn hoạt động với hiệu suất 80% sau 30 năm. 
Forrest nhìn thấy tương lai của những thiết bị này "đang đến cửa sổ gần bạn." Nhóm của ông đã tăng độ trong suốt của mô-đun lên 40%. Họ tin rằng họ có thể đạt đến mức độ rõ là 60%. 
Họ cũng đang nghiên cứu để tăng hiệu suất từ 10% đạt được trong các mô-đun một nửa trong suốt như được báo cáo, gần hơn với 15% được cho là có thể đạt được với độ trong suốt cao. Bởi vì các vật liệu có thể được chuẩn bị dưới dạng chất lỏng, chi phí sản xuất dự kiến sẽ tương đối thấp. 
Một phần của nghiên cứu được thực hiện tại Cơ sở chế tạo nano U-M Lurie. Forrest cũng là Giáo sư Kỹ thuật Paul G. Goebel. Ông là giáo sư kỹ thuật điện và khoa học máy tính, vật lý, khoa học vật liệu và kỹ thuật. 
Nghiên cứu được tài trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Hải quân và Văn phòng Năng lượng Hiệu quả và Năng lượng Tái tạo của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Universal Display Corp. giữ giấy phép cho tác phẩm. U-M có lợi ích tài chính và Forrest có quyền sở hữu trong Universal Display Corp.

https://ece.engin.umich.edu/stories/solar-cells-with-30-year-lifetimes-for-power-generating-windows

Dương Phước Hùng