Các tấm pin mặt trời trên mái của Trung tâm Hội nghị Los Angeles, lắp đặt ngày 5/9/ 2018, tại Los Angeles, California. Mảng năng lượng mặt trời gồm 6.228 tấm pin, tạo ra 3,4 triệu kilowatt giờ điện mỗi năm. Thống đốc California Jerry Brown ký một dự luật, cam kết tiểu bang đạt 100% năng lượng sạch năm 2045. Ảnh của Mario Tama/Getty Images

Nhóm nghiên cứu quốc tế, dẫn đầu các nhà khoa học từ Đại học Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU) Đức, đã công bố phát hiện đột phá này trên tạp chí Nano Letters. Theo Tiến sĩ. Akash Bhatnagar thuộc Trung tâm Năng lực Tiên tiến "SiLi-nano" tại MLU, do pin mặt trời thông thường được chế tạo từ vật liệu bán dẫn silicon, một vật liệu bán dẫn, nên "khả năng tăng hiệu suất của pin mặt trời lên đến vô hạn là không khả thi",.

Nhóm nhà khoa học của ông tập trung nghiên cứu một hiện tượng, được gọi là "hiệu ứng quang điện dị thường", có liên quan đến khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành hiệu điện thế của một số vật liệu.

Hiệu ứng quang điện dị thường này xảy ra trong trường hợp không có điểm chuyển tiếp p-n, phần silicon pha tạp âm tính và dương tính, cho phép các electron chuyển động trong vật liệu.

Thông thường, sự khác biệt cấu trúc tinh thể phi đối xứng cấp độ nguyên tử đối với cả hai mặt đường tiếp giáp dẫn hướng di chuyển của các electron.

Vật liệu, được sử dụng cho mối liên kết này thường là oxit, có ưu điểm dễ chế tạo,  chi phí thấp và có độ bền cao.

Nhưng khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và khả năng kháng điện tự nhiên của vật liệu ô xít ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả hoạt động như một vật liệu quang điện.

Lutz Mühlenbein, tác giả chính của công trình nghiên cứu nói: “Để sử dụng và khai thác tác dụng của những vật liệu này, cần có những cấu ​​trúc tế bào có tính sáng tạo để phát huy ưu điểm và bù đắp những nhược điểm của vật liệu.

Kiến trúc tổng hợp nano

Để giải quyết những nhược điểm của vật liệu, nhóm nhà khoa học MLU, phối hợp với các đồng nghiệp từ Bergakademie Freibergin Saxony và Viện Biến đổi Bề mặt Leibniz ở Leipzig, Đức và Đại học Banaras Hindu ở Ấn Độ nghiên cứu phát triển một kỹ thuật, sử dụng kiến ​​trúc tế bào mới, được gọi là nanocomposites.

Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu sử dụng các lớp mỏng, đơn lẻ của vật liệu ô xít điển hình - mỗi lớp chỉ dày vài nanomet và xếp chồng lên nhau.

Các nhà khoa học đã tổng hợp các màng mỏng nano ba chiều tự sắp xếp cùng các cột nano NiO trong một ma trận pha Aurivillius nhiều lớp. Cấu trúc nhiều lớp phát triển trên chất nền SrTiO3 đơn tinh thể, sử dụng phương pháp lắng đọng laser xung (PLD) với các perovskite gốm đơn (PbTiO3) x (BiNi2 / 3Nb1 / 3O3) 1-x. Các cột nano, mỗi cột có đường kính khoảng 10 nm, kéo dài trên toàn bộ độ dày của màng đến 225 nm.  Các màng mỏng nanocompozit thể hiện hiệu suất quang điện tăng cường đáng kể so với màng mỏng pha Aurivillius thuần nhất và PbTiO3 thuần nhất.

 

Tiến sĩ Bhatnagar giải thích, các dải ô xít niken NiO được thiết kế để hoạt động như một "làn đường nhanh" cho các electron, được tạo ra khi năng lượng ánh sáng mặt trời chuyển hóa thành điện năng.

Theo các nhà nghiên cứu, nhờ có các làn đường này, dòng điện đến điện cực trong pin mặt trời nhanh hơn do bỏ qua bỏ qua điện trở mà các electron riêng lẻ gặp phải khi đi qua từng lớp riêng lẻ mà không có dải oxit niken.

Với kiến ​​trúc dựa trên tổ hợp 3 chiều nano mới, các nhà khoa học phát hiện được, những tế bào năng lượng mặt trời được sửa đổi cho sản lượng điện tăng gấp 5 lần so với kiến ​​trúc truyền thống.

Mühlenbein giải thích: "Vật liệu sẽ tự tạo ra cấu trúc mong muốn này. Không cần những điều kiện tác động đặc biệt bên ngoài nào để buộc vật liệu chuyển vào trạng thái này". Các nhà nghiên cứu cũng cho rằng, giải pháp kiến ​​trúc mới cũng có thể sử dụng các vật liệu khác làm dải "làn đường nhanh" ngoài oxit niken đã sử dụng.

Các nhà khoa học Đức đưa ra đề xuất liên kết phối hợp nghiên cứu sâu hơn khả năng ứng dụng công nghệ này cho pin mặt trời trên quy mô công nghiệp.