Các nhà khoa học đã tìm ra cách nâng cao hiệu suất năng lượng mặt trời lên trên 100%. Ảnh: Shutterstock

Năng lượng mặt trời đóng vai trò quan trọng trong nỗ lực giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu. Mặt trời cung cấp một lượng năng lượng khổng lồ cho Trái đất mỗi giây, nhưng các tấm pin mặt trời hiện đại chỉ thu được một phần nhỏ trong số đó. Hạn chế này là do một "giới hạn vật lý" lâu đời mà rất khó để vượt qua.

Trong một nghiên cứu được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ vào ngày 25/3, các nhà khoa học từ Đại học Kyushu ở Nhật Bản, hợp tác với các nhà khoa học tại Đại học Johannes Gutenberg (JGU) Mainz ở Đức, đã phát triển một phương pháp mới để vượt qua rào cản này. Họ sử dụng một phức hợp kim loại gốc molypden được gọi là chất phát xạ "đảo chiều spin" để thu giữ năng lượng dư thừa được tạo ra thông qua quá trình phân tách đơn bội (SF), thường được mô tả là "công nghệ trong mơ" để cải thiện quá trình chuyển đổi ánh sáng.

Với phương pháp này, nhóm nghiên cứu đã đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng khoảng 130%, vượt qua giới hạn 100% truyền thống và mở ra hướng đi cho các công nghệ năng lượng mặt trời tiên tiến hơn.

Pin mặt trời hoạt động như thế nào và tại sao năng lượng bị thất thoát?

Pin mặt trời tạo ra điện khi các photon từ ánh sáng mặt trời chiếu vào chất bán dẫn và truyền năng lượng cho các electron, làm cho chúng chuyển động và tạo ra dòng điện. Quá trình này có thể được so sánh với một rơle, nơi năng lượng được truyền từ hạt này sang hạt khác.

Tuy nhiên, không phải tất cả các photon đều có ích như nhau. Các photon hồng ngoại năng lượng thấp không đủ năng lượng để kích hoạt electron, trong khi các photon năng lượng cao như ánh sáng xanh lại mất năng lượng dư thừa dưới dạng nhiệt. Vì lý do này, pin mặt trời chỉ có thể sử dụng khoảng một phần ba ánh sáng mặt trời chiếu tới. Hạn chế này được gọi là giới hạn Shockley-Queisser và vẫn là một thách thức lớn.

"Chúng tôi có hai chiến lược chính để vượt qua giới hạn này," Giáo sư Yoichi Sasaki, Phó Giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Đại học Kyushu, cho biết. "Một là chuyển đổi các photon hồng ngoại năng lượng thấp thành các photon khả kiến ​​năng lượng cao hơn. Chiến lược còn lại, mà chúng tôi đang nghiên cứu ở đây, là sử dụng SF để tạo ra hai exciton từ một photon exciton duy nhất."

Trong điều kiện bình thường, mỗi photon chỉ tạo ra một exciton spin-singlet sau khi bị kích thích. Với SF (Single-Single-Single), exciton đơn này có thể tách thành hai exciton spin-triplet có năng lượng thấp hơn, điều này có thể làm tăng gấp đôi năng lượng khả dụng. Mặc dù một số vật liệu như tetracene có thể hỗ trợ quá trình này, nhưng việc thu giữ các exciton này một cách hiệu quả vẫn còn khó khăn.

Khắc phục tình trạng mất năng lượng do FRET

"Năng lượng có thể dễ dàng bị 'lấy cắp' bởi một cơ chế gọi là truyền năng lượng cộng hưởng Förster (FRET) trước khi quá trình nhân xảy ra," Sasaki giải thích. "Do đó, chúng tôi cần một chất nhận năng lượng có khả năng thu giữ chọn lọc các exciton bộ ba đã được nhân lên sau khi phân tách."

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng các phức chất kim loại, vốn có thể được chế tạo chính xác. Họ đã xác định một chất phát xạ "đảo chiều spin" dựa trên molypden là một giải pháp hiệu quả. Trong hệ thống này, một electron thay đổi spin của nó trong quá trình hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng cận hồng ngoại, cho phép nó thu nhận năng lượng bộ ba được tạo ra bởi SF.

Bằng cách điều chỉnh cẩn thận các mức năng lượng, nhóm nghiên cứu đã giảm thiểu tổn thất do FRET và cho phép chiết xuất hiệu quả các exciton được nhân lên.

Sự hợp tác và thành công trong thử nghiệm

"Chúng tôi không thể đạt được thành quả này nếu không có nhóm Heinze từ JGU Mainz," Sasaki nói. Adrian Sauer, một nghiên cứu sinh từ nhóm này đang tham gia chương trình trao đổi tại Đại học Kyushu và là tác giả thứ hai của bài báo, đã thu hút sự chú ý của nhóm đến một loại vật liệu đã được nghiên cứu từ lâu ở đó, dẫn đến sự hợp tác này.

Khi kết hợp với các vật liệu gốc tetracene trong dung dịch, hệ thống đã thu hoạch năng lượng thành công với hiệu suất lượng tử khoảng 130%. Điều này có nghĩa là khoảng 1,3 phức chất kim loại gốc molypden được kích hoạt cho mỗi photon hấp thụ, vượt quá giới hạn thông thường và chứng tỏ rằng số lượng chất mang năng lượng được tạo ra nhiều hơn số photon đến.

Ứng dụng công nghệ năng lượng mặt trời và lượng tử trong tương lai

Nghiên cứu này giới thiệu một chiến lược mới để khuếch đại các exciton, mặc dù nó vẫn đang ở giai đoạn chứng minh tính khả thi. Nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu tích hợp các vật liệu này vào các hệ thống bán dẫn rắn để cải thiện sự truyền năng lượng và tiến gần hơn đến các ứng dụng pin mặt trời thực tiễn.

Những phát hiện này cũng có thể khuyến khích các nghiên cứu sâu hơn về sự kết hợp giữa phân tách singlet và các phức chất kim loại, với tiềm năng ứng dụng không chỉ trong năng lượng mặt trời mà còn trong đèn LED và các công nghệ lượng tử mới nổi.