Trong các nguồn tái tạo, năng lượng mặt trời luôn được giới khoa học kỳ vọng cao nhất do là nguồn năng lượng dồi dào và đáng tin cậy nhất trên Trái đất. Những thập kỷ gần đây, pin mặt trời trở nên rẻ, hiệu quả hơn và thân thiện môi trường.

Những vẫn có những điểm cần tối ưu hóa, các tế bào pin mặt trời hiện nay không trong suốt, ngăn cản việc sử dụng rộng rãi hơn và tích hợp vào những trang thiết bị thông dụng trong đời sống, những hạn chế này khiến pin mặt trời chỉ được lắp đặt trên mái nhà và triển khai ở những trang trại năng lượng mặt trời chiếm diện tích rộng hơn và xa khu dân cư.

Sẽ rất tuyệt vời nếu các tấm pin mặt trời thế hệ tiếp theo được tích hợp vào cửa sổ, kính tòa nhà hoặc trên màn hình điện thoại di động? Đó là tham vọng của Giáo sư Joondong Kim thuộc Khoa Điện trường Đại học Quốc gia Incheon, Hàn Quốc.

Trong bản công bố công trình nghiên cứu gần đây trên Tạp chí Nguồn điện, ông và các đồng nghiệp trình bày chi tiết về phát minh mới nhất của nhóm: một pin mặt trời trong suốt. Giáo sư Kim tuyên bố: “Những tính năng độc đáo của tế bào quang điện trong suốt có thể có nhiều ứng dụng khác nhau trong công nghệ phục vụ con người.”

Ý tưởng về pin mặt trời trong suốt được nhiều nhà khoa học quan tâm, nhưng biến ý tưởng mới lạ này thành hiện thực của các nhà khoa học là một phát minh mới có ý nghĩa quan trọng.

Những vật liệu khiến pin mặt trời không trong suốt là các lớp bán dẫn, có nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng và chuyển thành dòng điện.

 

Từ nhận thức này, giáo sư Kim và các đồng nghiệp cùng nghiên cứu hai vật liệu bán dẫn tiềm năng, được các nhà nghiên cứu trước đó xác định về những đặc tính mong muốn để có thể trở thành vật liệu trong pin điện mặt trời.

Vật liệu đầu tiên được nghiên cứu là titanium dioxide (TiO2), một chất bán dẫn nổi tiếng, được sử dụng rộng rãi để sản xuất pin mặt trời. Ngoài những tính năng điện tuyệt vời, TiO2 còn là vật liệu thân thiện với môi trường và không độc hại.

Vật liệu này hấp thụ ánh sáng UV (một phần của quang phổ ánh sáng không nhìn thấy bằng mắt thường) và cho phép hầu hết dải ánh sáng nhìn thấy được đi qua. Vật liệu thứ hai được nghiên cứu để tạo những mối kết nối là niken oxit (NiO), một chất bán dẫn khác có độ trong suốt quang học cao.

Niken cũng là một trong những nguyên tố phong phú nhất trên Trái đất, oxit nikel dễ dàng được sản xuất công nghiệp ở nhiệt độ, NiO cũng là vật liệu tuyệt vời để chế tạo các tế bào quang điện thân thiện môi trường.

Tế bào năng lượng mặt trời do các nhà nghiên cứu chế tạo bao gồm một tấm thủy tinh nền và một điện cực oxit kim loại, phía trên được lắng đọng các lớp mỏng chất bán dẫn (đầu tiên là TiO2, sau đó là NiO) và lớp phủ cuối cùng là các dây nano bạc, hoạt động như một điện cực thứ hai tạo thành tế bào pin mặt trời.

Cấu trúc thiết kế pin mặt trời trong suốt:  (a) Sơ đồ thiết bị AgNWs / NiO / TiO 2 / FTO (diện cực thứ nhất). (b) Hình ảnh của thiết bị hiển thị độ trong suốt cao. Cấu hình quang học của thiết bị trong suốt AgNW / NiO / TiO 2 / FTO (dạng Anatase- và Rutile-TiO 2) cho phổ bước sóng rộng (250 nm – 1200 nm). (c) Truyền ánh sáng và (d) Hấp thụ ánh sáng.

 

 Thiết kế thử nghiệm pin điện mặt trời trong suốt của các nhà khoa học Hàn Quốc

Các nhà khoa học thực hiện một số thử nghiệm đánh giá khả năng hấp thụ và truyền ánh sáng của thiết bị, cũng như hiệu quả hoạt động của pin mặt trời trong suốt này.

Những kết quả thu được rất đáng phấn khởi; hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 2,1%, hiệu suất hoạt động của tế bào tốt do chỉ hấp thụ  một phần nhỏ quang phổ ánh sáng.

Tế bào quang điện có độ phản hồi cao và có thể hoạt động trong điều kiện ánh sáng yếu. Hơn 57% ánh sáng nhìn thấy được truyền qua các lớp tế bào, khiến tế bào quang điện trở lên trong suốt.

Để chứng minh hiệu quả của pin điện mặt trời trong suốt,  các nhà cho thấy, thiết bị này có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho một động cơ nhỏ.

Giáo sư Kim bình luận: “Mặc dù loại pin mặt trời sáng tạo này đang còn rất sơ khai, nhưng kết quả thử nghiệm cho thấy có thể cải tiến hơn nữa với quang điện trong suốt bằng các phương pháp tối ưu hóa những tính chất quang và điện của tế bào.

Điểm đặc biệt quan trọng, các nhà khoa học Hàn Quốc chứng minh được tính thực tiễn của pin mặt trời trong suốt và có khả năng cải thiện hơn nữa hiệu quả hoạt động của sản phẩm trong tương lai gần. Cần có những nghiên cứu sâu hơn nữa để xác định, liệu phát minh mới này có thực sự trở thành hiện thực hay không, nhưng công nghệ mới này cũng mở ra một cánh cửa mới cho tương lai của năng lượng sạch.