Dây nano đưa đến pin mặt trời hiệu quả

Các nhà nghiên cứu ở Thụy Điển và Đức cho biết họ vừa có một bước đột phá quan trọng trong sự phát triển pin mặt trời hiệu suất cao trên nền tảng dây nano. Họ đã chứng minh được rằng những tế bào mặt trời làm từ những sợi dây nhỏ xíu chất bán dẫn indium phosphide (InP) có hiệu suất cao đến 13,8% trong khi chỉ chiếm khoảng 12% diện tích bề mặt của một dụng cụ. Trong khi hiệu suất 13,8% thì không cao so với những dụng cụ silicon thương mại tốt nhất, nhưng đội nghiên cứu tin rằng hiệu suất đó có thể tăng thêm đáng kể sau khi nghiên cứu thêm.

Dây nano là những sợi dây chất bán dẫn nhỏ xíu có bề dày chỉ vài trăm nano mét hoặc mỏng hơn. Chúng tỏ ra có tiềm năng lớn cho việc sản xuất pin mặt trời dẻo, nhẹ và rẻ hơn các dụng cụ phẳng trước nay. Những cấu trúc nano như dây nano là những vật hấp thụ ánh sáng hiệu quả và có thể thu gom sự dao động của các điện tích – gọi là plasmon – tương tác mạnh với ánh sáng. “Một hệ quả của sự hấp thụ mạnh này ở các dây nano là chúng ta quan sát thấy hiệu suất hấp thụ ánh sáng cao cho dù là chỉ có một phần nhỏ bề mặt của dụng cụ được phủ chất liệu nano,” giải thích của thành viên đội nghiên cứu, Magnus Borgström thuộc trường Đại học Lund.

Mô phỏng trên máy tính của sự hấp thụ ở năm dây nano. Ánh sáng mặt trời đến từ phía trên. Những vùng màu đỏ sẫm, gần phía trên, có sự hấp thụ mạnh nhất, còn những vùng màu lam sậm có sự hấp thụ yếu nhất. Mô phỏng tiến hành với không gian ba chiều, nhưng hình trên chỉ thể hiện một mặt cắt. (Ảnh: J Wallentin et al.)

Hàng triệu dây

Dụng cụ của đội nghiên cứu có kích cỡ chừng một millimet vuông và mỗi dụng cụ chứa khoảng bốn triệu dây nano InP. Các nhà nghiên cứu đã nuôi dây nano của họ bằng một kĩ thuật đã biết gọi là “nuôi hơi chất rắn”. “Các dây nano của chúng tôi cần phải đều, và có một đường kính và chiều dài nhất định. Từ những tiếp giáp p-n InP hoạt động đầu tiên của mình, chúng tôi mất đến bốn năm mới đi tới kết quả này,” Borgström giải thích.

Đội khoa học đã chọn InP vì nó có khe năng lượng 1,34 eV, nghĩa là nó có thể hấp thụ ánh sáng trên một ngưỡng rộng bước sóng ánh sáng mặt trời.

Trong nghiên cứu mới, đội khoa học đã có thể nhận ra đường kính lí tưởng của các dây nano – hóa ra là chừng 180 nm. “Kích cỡ thích hợp là cái thiết cho các dây nano hấp thụ càng nhiều photon càng tốt. Nếu chúng chỉ vài phần mười của một nanomet thì quá nhỏ, hoạt động của chúng sẽ bị suy yếu đáng kể,” Borgström nói.

Minh chứng trên nguyên tắc

Các tế bào mặt trời của đội nghiên cứu có hiệu suất cao đến 13,8% - con số triển vọng nhưng vẫn nhỏ hơn đáng kể so với các dụng cụ silicon thương mại tốt nhất, chúng có hiệu suất 15-22%. “Kết quả của chúng tôi là kết quả đầu tiên cho thấy người ta thật sự có thể sử dụng dây nano để sản xuất pin mặt trời,” Borgström nói. Tuy nhiên, hiệu suất cao nhất từng được báo cáo đối với một tế bào mặt trời InP bình thường là 22% và đội khoa học thừa nhận rằng không biết kỉ lục đó có bị phá vỡ hay không nếu sử dụng những lượng nhỏ hơn vật liệu dây nano.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science.

Nguồn: physicsworld.com