Giải pháp dựa trên ‘phân hạch đơn’ giúp tăng hiệu quả tế bào quang điện

Theo dõi KTMT trên

Theo trang tin năng lượng mặt trời (NLMT) trực tuyến Australia (PMAC): Nhóm đề tài ở Đại học New South Wales (UNSW) hiện đang thực hiện nghiên cứu, phát hiện thấy vật liệu trải qua quá trình phân hạch singlet (phân hạch đơn-SF) cung cấp giải pháp thú vị và hiệu quả để khai thác toàn bộ quang phổ mặt trời, tăng hiệu suất cho pin mặt trời lên cao.

Hiệu quả chuyển đổi NLMT thành điện năng của tế bào quang năng (Photovoltaic cell - PV cell) thường ở mức thấp, hiện tại chỉ đạt 20 đến 25%. Công nghệ silicon hiện thống trị thị trường quang điện, chiếm 90% tổng số PV được thương phẩm nhưng silicon PV không và không thể khai thác toàn bộ quang phổ mặt trời. Pin mặt trời silicon bị hạn chế về mặt nhiệt động học, chỉ chuyển đổi 30% ánh sáng mặt trời thành điện năng hữu ích. Hai cơ chế gây tổn thất chính là: Sự truyền các photon có năng lượng nhỏ hơn độ rộng vùng cấm, (band gap hay khe năng lượng) (1,1eV) và sự sinh nhiệt từ các photon có năng lượng vượt quá độ rộng vùng cấm.

Theo UNSW: Con đường tốt nhất để tăng hiệu quả sử dụng pin mặt trời từng bước là dựa trên sự thành công của silicon. UNSW đã phát triển một thiết bị song song kiểu 'thứ gì đó trên silicon'. Khái niệm này giống như sử dụng các chất hấp thụ độ rộng vùng cấm cao hơn trong một ô con, có thể được ghép bằng điện tử (song song 2 hoặc 3 đầu cuối) hoặc cơ học (song song 4 đầu cuối) được ghép trên đầu tế bào silicon. Các vật liệu đầy hứa hẹn bao gồm perovskite halogenua hữu cơ kim loại, chất bán dẫn vô cơ III-V và chalcogenide.

Tuy nhiên, vật liệu trải qua quá trình phân hạch đơn lại tạo ra một con đường khác để tăng cường việc sử dụng quang phổ mặt trời. Thông thường, hiệu ứng quang điện là quá trình một đối một. Một photon cung cấp cho chúng ta nhiều electron. UNSW gọi đây là “hiệu suất lượng tử bên ngoài”, hoặc EQE, là 100%. Khi khai thác phân hạch singlet, chúng ta có thể trích xuất hai điện tử cho mỗi photon được hấp thụ - tức có thể có EQE là 200% và thực tế, EQE đã vượt ngưỡng 100%.

Nói đơn giản hơn, cơ chế phân hạch singlet (Singlet fission) hay SF, trong đó một photon kích thích hai electron có lợi thế khắc phục nhược điểm hiện có của tế bào quang điện. Phân hạch singlet là một quá trình cho phép spin, duy nhất cho vật lý quang phân tử, theo đó một trạng thái kích thích của một singlet được chuyển đổi thành hai trạng thái bộ ba.

Thông thường, khi một photon từ ánh sáng mặt trời được hấp thụ bởi một phân tử, thì mức năng lượng của một trong các electron trong phân tử được tăng lên rõ rệt. Bằng cách hấp thụ một photon, một phân tử hữu cơ do đó được chuyển đổi thành trạng thái năng lượng cao hơn. Điện sau đó có thể được tạo ra trong các tế bào NLMT từ năng lượng này được lưu trữ tạm thời trong phân tử. Kịch bản tối ưu trong các pin mặt trời thông thường là mỗi photon tạo ra một electron làm vật mang điện. Tuy nhiên, nếu sử dụng các hợp chất hóa học được chọn, hai electron từ các phân tử lân cận có thể được chuyển đổi thành trạng thái năng lượng cao hơn.

Vì vậy, một photon tạo ra hai electron bị kích thích, lần lượt có thể được sử dụng để tạo ra dòng điện, hay hai được tạo ra từ một. Quá trình này được gọi là SF hay phân hạch singlet, giúp tăng đáng kể hiệu suất của pin mặt trời.

Qua thử nghiệm, UNSW phát hiện thấy tác dụng có lợi là giảm nhiệt độ hoạt động, do đó kéo dài tuổi thọ của tế bào ước tính khoảng 3,7 năm. Vì quá trình phân hạch singlet sử dụng hiệu quả các photon năng lượng cao, nên nhiệt lượng được tạo ra ít hơn so với các công nghệ hiện tại, do đó có tác dụng làm mát mô-đun silicon bên dưới. Hiệu ứng làm mát này sẽ xuất hiện trong tất cả các thiết bị làm từ silicon nhưng đáng kể nhất là trong các thiết bị phân hạch singlet, với mức giảm nhiệt độ ước tính là 2°C (theo tiêu chuẩn IEC61212).

Giống như các tế bào song song, con đường tốt nhất cho quá trình phân hạch singlet là sử dụng nó như một lớp trên cùng trên một tế bào gốc silicon. Không giống như các khái niệm song song khác, có thể thực hiện điều này với những thay đổi tối thiểu đối với kiến ​​trúc silicon, giảm cả độ phức tạp và chi phí. Hơn nữa, trong một số kiến ​​trúc phân hạch đơn, UNSW đã tránh vấn đề tối ưu hóa độ dẫn điện của vật liệu mới, bằng cách tìm nguồn bên ngoài cho quá trình vận chuyển điện đến tế bào gốc silicon. Điều này loại bỏ nhu cầu về sự phù hợp điện áp/dòng điện giữa phân hạch singlet và các lớp silicon.

Cuối cùng, các vật liệu được sử dụng cho quá trình phân hạch singlet thường là các phân tử hữu cơ nhỏ hoặc polyme, tương tự như các vật liệu đã được phát triển trong đi ốt phát quang hữu cơ (OLED). Do đó, sản xuất vật liệu phân hạch singlet ở quy mô lớn sẽ có thể tận dụng được cơ sở hạ tầng tổng hợp hóa học hiện có. Điều này có nghĩa là lợi ích hiệu quả của phương pháp tiếp cận phân hạch singlet/silicon có thể đạt được mà không làm tăng đáng kể chi phí mô-đun PV. Hai lớp phân tử chính đang được nghiên cứu bao gồm các hydrocacbon đa sắc - bao gồm các chất màu sơn bền với ánh sáng - và các polyme đã được tìm thấy rất hữu ích trong các công nghệ quang điện hữu cơ hiện có.

Theo PMAC: Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã tạo ra một dimer phân tử từ hai đơn vị pentacene. Hydrocacbon này được coi là một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho việc sử dụng phân hạch đơn trong các tế bào NLMT. Sau đó, họ tiếp xúc chất lỏng với ánh sáng và sử dụng các phương pháp quang phổ khác nhau để nghiên cứu các quá trình photophysical trong phân tử. Điều này giúp các nhà nghiên cứu hiểu sâu hơn về cơ chế đằng sau phân hạch đơn phân tử trong phân tử.

Thứ nhất: Họ đã thành công trong việc chứng minh rằng khớp nối với một trạng thái chuyển tải cao hơn là rất cần thiết cho SF hiệu quả cao.

Thứ hai: Đã định được mô hình cho phân hạch đơn hay singlet.

Và cuối cùng, chứng minh rằng hiệu quả của SF tương quan rõ ràng với mức độ mạnh mẽ của hai đơn vị phụ pentacene được kết hợp.

Có một số hạn chế đối với sự phân hạch singlet. Như đã đề cập ở trên, phương pháp tiếp cận phân hạch singlet đang ở giai đoạn phát triển đầu nên còn chứa đựng cả hứng thú lẫn trở ngại cần giải quyết để sớm có sản phẩm đưa vào ứng dụng. Theo UNSW, đây là một mốc quan trọng hướng tới việc sử dụng các hệ thống quang điện dựa trên SF để tạo ra điện năng.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

(THEO: PMAC - 4/2022)

Link tham khảo:

1/ https://www.pv-magazine-australia.com/2022/04/28/unsw-exclusive-unlocking-the-potential-of-singlet-fission-for-future-pv-devices/

Theo Tạp chí Năng lượng Việt Nam