Nghiên cứu mới giải quyết vấn đề hiệu suất thấp ở pin Mặt trời hữu cơ

Một nhóm nghiên cứu quốc tế đã xác định được một dạng tiêu hao năng lượng khiến cho pin mặt trời hữu cơ có hiệu suất thấp hơn so với pin làm từ silicon trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng và tìm ra được cách ngăn chặn thông qua việc kiểm soát các phân tử bên trong pin mặt trời.

Nguồn ảnh: Stock.

Kết quả, công bố trên tạp chí Nature, cho thấy, hiệu suất của pin mặt trời hữu cơ có thể có khả năng cạnh tranh với pin silicon.

Là các tế bào bán trong suốt, giá rẻ và có độ linh hoạt cao, pin mặt trời hữu cơ có rất nhiều triển vọng trong lĩnh vực năng lượng mặt trời. Chúng có thể được lắp ở phía bên ngoài – xung quanh các tòa nhà cũng như có thể dùng để tái sử dụng hiệu quả năng lượng chiếu sáng bên trong nhà. Đây là những ưu điểm mà các tấm silicon thông thường không thể làm được. Việc sản xuất loại pin này cũng thân thiện với môi trường hơn rất nhiều.

Theo tiến sĩ Alexander Gillett, tác giả thứ nhất của bài báo và là nhà nghiên cứu ở Phòng thí nghiệm Cavendish thuộc Cambridge, “việc sản xuất thương mại loại pin này đã bị đình trệ trong những năm gần đây do chúng có hiệu suất thấp. Một pin mặt trời làm từ silicon thông thường có thể đạt hiệu suất từ 20 đến 25%, trong khi pin mặt trời hữu cơ chỉ đạt 19% trong điều kiện phòng thí nghiệm, và khi dùng trong thực tế thì chỉ còn khoảng 10 đến 12%”. 

Pin mặt trời hữu cơ tạo ra điện năng bằng cách mô phỏng lại quá trình quang hợp tự nhiên của thực vật, ngoại trừ một việc là chúng sẽ không chuyển carbon dioxide và nước thành glucose. Khi một photon “chạm” vào pin mặt trời, nó sẽ kích thích hoạt động của một electron và để lại một “lỗ trống” trong cấu trúc điện tử của vật liệu. Sự kết hợp của electron và lỗ trống này được gọi là exciton – một trạng thái liên kết giữa điện tử và lỗ trống. Nếu vượt qua được lực hút giữa electron mang điện tích âm và lỗ trống mang điện dương trong exciton thì các electron và lỗ trống này sẽ có thể tạo ra được dòng điện.

Các electron trong pin mặt trời có thể bị mất mát trong quá trình tái hợp – khi các electron mất đi năng lượng của mình và trở lại trạng thái “lỗ trống”. Do các vật liệu từ nguồn gốc carbon có lực hút giữa electron và lỗ trống mạnh hơn so với các vật liệu làm từ silicon nên pin mặt trời hữu cơ thường hay xảy ra quá trình tái hợp hơn và do đó ảnh hưởng đến hiệu suất của chúng. Điều này đòi hỏi phải có hai thành phần để ngăn chặn sự tái hợp quá nhanh của electron và lỗ trống, đó là vật liệu “cho” electron và vật liệu “nhận” electron.

Kết hợp máy quang phổ và các mô hình máy tính, họ đã theo dõi được các cơ chế hoạt động, từ quá trình hấp thụ của các photon cho đến quá trình tái hợp, trong các tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ. Từ đó, họ phát hiện ra cơ chế gây tiêu hao năng lượng ở pin mặt trời hữu cơ chủ yếu là do quá trình tái hợp với một dạng exciton được gọi là exciton bộ ba (triplet exciton) gây ra.

Ở pin mặt trời hữu cơ, các exciton bộ ba vốn là một vấn đề rất khó giải quyết. Tuy nhiên, trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã phát hiện ra, nếu tạo ra được các tương tác phân tử giữa vật liệu “cho” electron và vật liệu “nhận” electron thì sẽ có thể tách được electron và các lỗ trống ra xa nhau, và nhờ đó có thể ngăn chặn sự xuất hiện của trạng thái exciton bộ ba này.

Mô hình tính toán của các nhà nghiên cứu cũng đã cho thấy, nếu điều chỉnh các thành phần của pin mặt trời hữu cơ theo cách này sẽ giảm được cường độ tái hợp và xuất hiện các trạng thái exciton bộ ba, từ đó giúp pin mặt trời hoạt động hiệu quả hơn.

Các tác giả đã vạch ra quy tắc thiết kế vật liệu cho electron và vật liệu nhận electron để có thể đạt được mục tiêu hiệu suất 20% cho pin mặt trời hữu cơ. “Giờ đây, các nhà hóa học tổng hợp sẽ có thể tạo ra các vật liệu ‘cho’ và ‘nhận’ thế hệ mới có tương tác phân tử mạnh hơn và giải quyết vấn đề suy giảm hiệu suất ở pin mặt trời hữu cơ”, giáo sư Nguyễn Thục Quyên thuộc ĐH California, Santa Barbara, cho biết. □

Mỹ Hạnh dịch
Nguồn: https://techxplore.com/news/2021-09-efficiency-hurdle-solar-cells.html