Photon ‘mua một lời ba’

Các nhà nghiên cứu vừa tạo ra một chất liệu mới có khả năng tạo ra ba hoặc nhiều electron tự do mỗi lần nó hấp thụ một photon độc thân. Chất này không giống với những chất bán dẫn thông thường, chúng vốn chỉ tạo ra một electron trên mỗi photon hấp thụ. Dựa trên những cấu trúc bán dẫn nhỏ xíu gọi là chấm lượng tử, chất liệu mới – phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Công nghệ Delft ở Hà Lan và Toyota châu Âu ở Bỉ - một ngày nào đó có thể dùng để chế tạo những tế bào mặt trời hiệu quả hơn.

Các tế bào mặt trời hoạt động bằng cách hấp thụ photon, mỗi hấp thụ giải phóng một electron và một lỗ trống tích điện dương truyền theo hướng ngược nhau, do đó tạo ra một điện áp và dòng điện có thể thực hiện công. Tuy nhiên, khi một electron được giải phóng, rất nhiều động năng của nó bị mất mát sang chất bán dẫn dưới dạng nhiệt, thay vì được khai thác dưới dạng điện năng hữu dụng. Do đó, các nhà nghiên cứu rất muốn phát triển những chất liệu mới trong đó một phần hay toàn bộ năng lượng này được thu giữ thay vì bị lãng phí.

Một cách thu giữ năng lượng này là sử dụng những màng mỏng chấm lượng tử trong đó năng lượng cần thiết để giải phóng một electron có thể được điều khiển tinh vi bằng cách điều chỉnh kích cỡ của các chấm. Do đó, một photon có thể giải phóng nhiều electron hơn khi nó đi qua một chấm trong một quá trình gọi là “nhân hạt tải điện”. Thật không may, phương pháp này không liên quan đến các electron và lỗ trống đích thực – mà là các exciton, những cặp liên kết của electron và lỗ trống. Mặc dù các exciton có thể tách ra thành những điện tích tự do bằng cách tác dụng một điện trường hay nối các chấm với một chất bán dẫn khác, nhưng cả hai kĩ thuật đều làm giảm hiệu suất của các dụng cụ.

Nay Michiel Aerts và các đồng sự vừa chế tạo ra một màng mỏng chấm lượng tử trong đó sự nhân hạt tải điện xảy ra với các electron tự do, thay vì các exciton. Các chấm lượng tử có đường kính chừng 5 nm và được chế tạo từ hợp chất bán dẫn chì selenide. Bản thân các màng mỏng được chế tạo bằng cách nhúng chất nền thạch anh vào một dung dịch của các chấm lượng tử.

Dung dịch chấm lượng tử

Dung dịch chấm lượng tử: mỗi màu tương ứng với kích cỡ của các chấm, và bước sóng ánh sáng mà chúng phát ra. (Ảnh: Michiel Aerts)

Bền, nhưng dẫn điện

Một thách thức đối với Aerts là đảm bảo các electron có thể chuyển động dễ dàng giữa những chấm lượng tử riêng biệt. Đây thường là vấn đề khó vì các hạt nano phải tráng một lớp chất hữu cơ cách điện để ngăn chúng biến tính khi chế tạo màng mỏng. Vì thế, các Aerts và các đồng sự đã làm là tìm ra một phương pháp loại bỏ lớp hữu cơ của các chấm trong màng mỏng sao cho sự dẫn điện có thể xảy ra.

Quá trình nhân hạt tải điện bắt đầu khi một photon bị hấp thụ bởi một chấm lượng tử, làm giải phóng một electron và lỗ trống, chúng có thể chuyển động sang những chấm liền hề để giải phóng thêm electron và lỗ trống khác. Sử dụng một kĩ thuật gọi là sự dẫn vi sóng phân giải thời gian (TRMC) để đo độ dẫn của các màng mỏng, đội nghiên cứu đã có thể chỉ ra – tính trung bình – khoảng ba electron tự do đã được tạo ra ứng với mỗi photon khi dùng ánh sáng tử ngoại 400 nm chiếu lên các màng mỏng. Bước sóng này nằm ngay rìa của phổ nhìn thấy và do đó có dồi dào trong ánh sáng mặt trời.

Aerts cho biết đội của ông hiện muốn thử chế tạo các tế bào mặt trời từ những màng mỏng trên. Trên lí thuyết, những tế bào mặt trời như vậy có thể thu được hiệu suất 44%, so với giới hạn lí thuyết 35% ở những tế bào silicon thông thường. Mặc dù màng mỏng chấm lượng tử tương đối rẻ và dễ chế tạo, nhưng việc chế tạo các dụng cụ từ chúng là chuyện không đơn giản. Ngoài chỗ chì selenide là một chất độc, các chấm lượng tử còn nhanh chóng bị hỏng khi đặt trong không khí.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nano Letters 10.1021/nl202915p.

Nguồn: physicsworld.com