Điện mặt trời không cần tế bào mặt trời

Các nhà vật lí ở Mĩ tin rằng người ta có thể khai thác điện mặt trời mà không cần các tế bào mặt trời. Ý tưởng “pin quang học” của họ, thực hiện sự biến đổi năng lượng bên trong các chất cách điện thay vì chất bán dẫn, có thể dùng để sản xuất một nguồn năng lượng thay thế rẻ tiền hơn nhiều so với những công nghệ tế bào mặt trời hiện nay.

Trong các tế bào mặt trời thông thường, dòng điện sinh ra bởi sự phân li điện tích đơn giản. Chất bán dẫn hấp thụ một photon của ánh sáng, đánh bật một electron âm vào dải năng lượng dẫn của chất liệu và để lại một lỗ trống dương tại chỗ của nó. Với hai điện tích tách rời này, một điện áp được sinh ra từ đó điện năng có thể được khai thác.

Nhưng điện mặt trời nhưng nhất thiết phải phát ra theo kiểu này, theo Stephen Rand và William Fisher tại trường Đại học Michigan. Rand và Fisher đã thực hiện các phép tính dự đoán rằng điện áp có thể sinh ra trong những chất liệu cách điện, sử dụng cái họ nói là một phương diện trước đây đã bỏ sót của từ trường của ánh sáng. “Bạn có thể nhìn chằm chàm vào các phương trình chuyển động mỗi ngày và bạn sẽ không thấy khả năng này”, Rand nói.

Mặt trời lặn trên Thái Bình Dương và những cột mây nhìn từ Trạm Vũ trụ Quốc tế. (Ảnh: Science and Analysis Laboratory, NASA-Johnson Space Center)

Từ trường bị bỏ sót

Ánh sáng là một sóng điện từ, nghĩa là nó có hai thành phần – một điện trường và một từ trường. Trong không gian tự do, từ trường yếu hơn điện trường chừng tám bậc độ lớn, yếu đến mức hầu như có thể bỏ qua. Một khi đi vào một chất liệu thì điện trường làm tăng tốc các điện tích – electron – theo phương của nó. Các nhà vật lí nghĩ rằng từ trường sẽ chỉ ảnh hưởng đến động lực học của các electron khi chúng đạt tới những tốc độ “tương đối tính” rất cao, gần bằng tốc độ ánh sáng.

Nhưng Rand và Fisher tính được rằng khi các electron liên kết với hạt nhân của chúng, như trường hợp trong chất cách điện, cơ chế động lực học điện và từ của electron trở nên liên hệ với nhau, cho phép năng lượng đi từ dạng này sang dạng kia. Kết quả là khi ánh sáng chiếu lên một chất cách điện, chỉ từ trường có thể dịch chuyển các electron theo phương của ánh sáng, tạo ra sự phân cực điện tích. Cơ chế này giống hệt như một tụ điện quang học, cái có thể dùng để trích ra điện năng, có lẽ với hiệu suất khoảng chừng 10%.

“Phương pháp này chỉ cần những điện môi đơn giản như thủy tinh thay vì những chất bán dẫn đã qua xử lí kĩ thuật cao ở những tế bào quang điện”, Fisher nói. Ông cho biết thêm rằng các chất cách điện ở dạng sợi sẽ tăng cường thêm hiệu ứng lên. “Thủy tinh thì chế tạo đơn giản hơn và rẻ tiền hơn; hàng dặm dài sợi thủy tinh dùng cho ngành quang học sợi đã sẵn sàng thu hút mỗi ngày”.

Vẫn chưa thực tiễn

Hiện nay, nghiên cứu của Rand và Fisher chủ yếu mang tính lí thuyết, và họ nghĩ ánh sáng sẽ phải được tập trung với cường độ rất cao chừng 10 triệu watt trên centimet vuông. Tuy nhiên, họ cho biết những thí nghiệm mới có thể sẽ hé lộ những chất liệu hoạt động ở những cường độ sáng thấp hơn.

James Heyman, một nhà vật lí bán dẫn tại trường Macalester College ở Minnesota, Mĩ, gọi công trình nghiên cứu trên là “thú vị” nhưng ông lưu ý một số trở ngại tiềm tàng. “Tôi chưa thấy bằng chứng nào rằng hiện tượng mà họ nghiên cứu cũng xảy ra ở những cường độ sáng tương ứng với ánh sáng mặt trời tập trung”, ông nói. Và hiệu suất theo đề án cũng kém hơn so với các tế bào mặt trời tinh thể vốn được bán với giá một đôla mỗi watt ở nước Mĩ.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu Michigan có hi vọng rất cao, mặc dù theo Fisher sẽ mất “nhiều năm” nữa thì pin quang học mới có mặt trên thị trường. “Nếu chúng tôi có thể phát triển một chất liệu biểu hiện một hiệu ứng mạnh ở cường độ sáng thấp hơn và vẫn thu hút như sợi quang, thì khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp là đã sẵn sàng”, ông nói.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Journal of Applied Physics.

Nguồn: physicsworld.com