Các nhà vật lí ở Mĩ nói rằng họ đã tiến thêm một bước quan trọng trong cuộc đua chế tạo pin mặt trời vừa rẻ vừa hiệu quả cao. Lần đầu tiên họ đã làm chủ thành công việc rút một phần năng lượng thừa của các photon tần số cao chạm lên một màng silicon mỏng. Các nhà nghiên cứu khẳng định bước đột phá trên có thể dẫn tới một loại pin mới hiệu quả trong vòng ba năm tới.

Nhà máy điện mặt trời Andasol ở miền nam Tây Ban Nha. (Ảnh: Andasol, Tây Ban Nha)

Krzysztof Kempa và các đồng nghiệp tại trường Boston College ở Mĩ vừa chứng minh một kĩ thuật chế tạo pin mặt trời có thể đưa công nghệ này chuyển sang thế hệ thứ ba của nó. Họ nói chúng có thể phát năng lượng nhiều hơn so với những pin mặt trời truyền thống bằng cách khai thác thực tế là bức xạ mặt trời gồm một ngưỡng bước sóng. Trong phần thuyết minh của họ, các electron bị loại khỏi dải dẫn trước khi chúng có cơ hội rớt xuống và do đó “nguội” đáng kể.

Nâng cấp tiêu chuẩn

Tại cốt lõi của nó, ý tưởng trên thật đơn giản – chế tạo một tế bào pin mỏng hơn, các electron đi qua nó có ít thời gian để nguội đi loại p hình (có thừa lỗ trống), silicon chưa pha tạp chất và silicon loại n (có thừa electron) lên trên một chất nền thủy tinh. Nhưng trong khi những lớp p và n trong tế bào pin silicon vô định hình kiểu chuẩn thường dày khoảng 20 nm, thì trong trường hợp này chúng chỉ dày 5 nm. Lớp chưa pha tạp chất, thay vì dày 300 hoặc 400 nm, chỉ dày 5 nm.

Lí do các nhà nghiên cứu bác bỏ ý tưởng sử dụng pin mặt trời cực mỏng trước đây là vì, khi mỏng như vậy, dụng cụ chỉ có thể bắt lấy một phần nhỏ photon chạm trúng và sau đó đi qua nó. Thật vậy, Kempa và các đồng sự đã đo hiệu suất của dụng cụ của họ chỉ là 3%. Tuy nhiên, theo các nhà nghiên cứu, kết quả quan trọng là ở chỗ tế bào pin của họ có thể phát ra điện áp cao hơn.

Đội nghiên cứu đã chế tạo pin với nhiều chiều dày khác nhau và sau đó lần lượt phơi từng loại trước cả ánh sáng lục và ánh sáng lam. Đúng như hi vọng, họ nhận thấy các tế bào pin rất mỏng phát ra điện áp cao hơn ở bước sóng lam so với ở bước sóng lục, cái, họ nói, là bằng chứng cho thấy các tế bào pin có thể khai thác ít nhất là một phần năng lượng thừa của các electron nóng. Ngoài ra, họ nhận thấy những tế bào pin mỏng nhất còn phát ra dòng điện lớn hơn, do điện trường lớn hơn nhiều của chúng (tỉ lệ nghịch với chiều dày, đối với một điện áp cho trước).

Giải thoát các electron

Theo Naughton, thách thức hiện này là chế tạo một tế bào pin “dày về mặt quang tính đồng thời mỏng về mặt điện tính”. Họ tin rằng điều này có thể thực hiện được bằng cách chế tạo tế bào pin từ một ma trận dây dẫn, mỗi dây dài vài micron và tráng một lớp silicon vô định hình chỉ dày vài nano mét. Ý tưởng là chiều dài của mỗi dây xác định lượng ánh sáng tế bào có thể thu thập trong khi chiều dày của lớp tráng xác định mức độ nhanh, và do đó với điện áp nào, các electron có thể thoát ra.

Kempa, Naughton và người đồng nghiệp Zhifeng Ren của họ vừa thành lập một công ti tên là Solasta để thương mại hóa công nghệ của họ, hi vọng cuối cùng sẽ chế tạo được pin mặt trời rẻ tiền hiệu suất từ 20 đến 30%. Trong khi chờ đợi, Michael Naughton nói, Solasta nhắm tới việc sản xuất pin mặt trời “có tính cạnh tranh cao” vào năm 2012.

Martin Green thuộc trường đại học New South Wales ở Australia tán thành rằng pin mặt trời khai thác lợi ích của các electron nóng là một cách xem xét lí thú. Thật vậy, ông nghĩ chúng có tiềm năng hiệu quả gấp hai lần pin mặt trời truyền thống. Tuy nhiên, ông nghi ngờ những kết quả trong công trình nghiên cứu hiện nay thật ra có là do các electron nóng thuộc loại cần thiết cho những dụng cụ hiệu suất cao như thế, vì, theo ông nói, có nhiều hiệu ứng sẽ tạo ra sự phụ thuộc quan sát thấy của điện áp vào bước sóng của ánh sáng tới. “Dù sao thì kết quả trên cũng thật hấp dẫn và có thể kích thích nhiều nỗ lực hơn trong lĩnh vực này”, ông bổ sung thêm.

Nghiên cứu được báo cáo trực tuyến trên tờ Applied Physics Letters.