Những chiếc bóng đèn đã tồn tại hơn 100 năm qua và mang đến cho những căn phòng ngập tràn thứ ánh sáng rực rỡ. Tuy nhiên, trong cơn khát năng lượng hiện nay của thế giới, thì hiệu suất của những chiếc bóng đèn này là thứ đáng để người ta quan tâm. Phòng thí nghiệm Quốc gia Năng lượng Hồi phục ở Mĩ (NREL) vừa khám phá một phương thức hứa hẹn mang đến những chiếc bóng đèn hiệu suất năng lượng cao hơn nhiều.
 |
| Thiết bị Nghiên cứu Năng lượng Mặt trời của NREL là nơi các thí nghiệm sử dụng laser để khảo sát những tính chất phát quang của hợp kim gallium indium phosphide dùng trong chế tạo đi-ôt phát quang. Ảnh: NREL. |
Các nhà khoa học NREL vừa tìm ra một phương pháp tạo ra sự kết hợp tinh tế của màu lục và màu đỏ có thể sẽ là cơ sở hậu thuẫn lớn nhất cho sự chiếu sáng kể từ thời những chiếc bóng đèn của Edison.
Màu lục không chỉ là một biểu tượng của sinh thái, nó còn là một màu thực tế, và là một màu mà nhiều nhà nghiên cứu đã liều lĩnh xông pha đi tìm để thắp sáng nhà cửa, đường phố và những công trình xây dựng với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ so với hiện nay.
LED – đi-ôt phát quang – là sự hứa hẹn của tương lai vì không giống như bóng đèn dây tóc hay đèn huỳnh quang compact, chúng phát ra đa phần năng lượng của chúng dưới dạng ánh sáng, thay vì nhiệt. Một ưu điểm nữa là chúng không chứa chất thủy ngân gây nguy hiểm đến sức khỏe.
Thời đại của LED đang tiến đến rất nhanh. Bộ Năng lượng Mĩ trông đợi sẽ loại bỏ bóng đèn dây tóc trong vòng 4 năm và đèn huỳnh quang compact trong vòng 10 năm tới. Điều đó sẽ khiến cho các LED chiếm lĩnh gần như 100% thị phần.
Để làm cho đèn LED trông có màu trắng, tối thiểu các nhà nghiên cứu cần có các màu đỏ, lục và lam. Ánh sáng trắng phát ra từ mặt trời thật ra gồm tất cả các màu của cầu vồng. Nếu không có ít nhất là các thành phần đỏ, lục và lam trong quang phổ, thì không có dụng cụ thắp sáng nào sẽ là thực tiễn để sử dụng trong nhà hoặc trong công sở.
Màu đỏ tỏ ra dễ tạo ra, và cách đây khoảng 15 năm, các nhà khoa học người Nhật đã tìm ra một phương pháp phát ra ánh sáng màu lam, từ đó cung cấp hai màu cơ bản trong quang phổ của ánh sáng trắng.
Nhưng màu lục thật khó nắm bắt. Thật ra, những đèn LED có thể mua với giá 10 đô la hiện nay được làm cho trông có màu trắng bằng cách chiếu ánh sáng màu lam vào phosphor, khi đó chúng phát ra ánh sáng màu lục. Nó hoạt động tốt, nhưng quá trình kích thích làm tiêu hao mất lợi thế lớn của hiệu quả phát sáng.
NREL nhảy vào người LED thông qua pin mặt trời
NREL là một nơi dẫn đầu thế giới trong công nghệ chế tạo pin mặt trời, và là một nơi mới nhập cuộc trong lĩnh vực thắp sáng.
Nhà khoa học NREL, Angelo Mascarenhas, người giữ những bằng phát minh về công nghệ pin mặt trời, nhận thấy một đèn LED đúng là một pin mặt trời chạy ngược. Một dụng cụ nhận điện năng và chuyển hóa thành ánh sáng; dụng cụ kia nhận ánh sáng mặt trời và chuyển hóa nó thành điện năng.
“Chúng tôi đã nghiên cứu pin mặt trời trong 30 năm qua”, Mascarenhas nói. “Liệu chúng ta có thể tìm ra một số dụng cụ trong đó chúng ta chỉ việc đảo ngược lại quá trình chế tạo pin mặt trời hay không?”
Thật vậy, Mascarenhas đã tìm thấy nó. NREL đã giành những giải thưởng khoa học lớn cùng với pin mặt trời biến tấu ngược của mình, trong đó các tế bào pin được xây dựng bằng cách kết hợp những lớp mạng khác nhau để tối ưu hóa quá trình bắt lấy năng lượng mặt trời. Thật vậy, một tế bào IMM do NREL chế tạo đã lập kỉ lục thế giới bởi việc biến đổi 40% ánh sáng mặt trời hấp thụ thành điện năng.
“Chúng tôi đã phát triển một số bí quyết thu lấy ánh sáng mặt trời trong vùng phổ màu lục này”, Mascarenhas nói. Họ đã không đạt tới đó, vì pin mặt trời không cần màu lục, nhưng họ đã bắt đầu hiểu ra những thách thức của việc thu lấy màu lục.
 |
| Nhà khoa học chính tại NREL, Brian Flugel, điều chỉnh các gương dùng trong một thí nghiệm nhắm tới kiểm tra chất lượng của một đèn LED màu lục. Ảnh: Bill Scanlon |
Lời giải cho một câu đố hóc búa hơn 10 năm tuổi
Trong một thập niên qua, các nhà nghiên cứu LED đã thử và thất bại trước việc chế tạo nguồn sáng màu lục hiệu quả xác thực bằng cách đưa indium vào gallium nitride.
“Mọi dấu hiệu đều đi vào ngõ cụt”, Mascarenhas nói. “Khi bạn đi vào trong ngõ cụt, bạn không nên lao đầu mình thẳng vào tường. Đầu của bạn sẽ vỡ, chứ không phải bức tường vỡ. Thay vào đó, bạn nên đi ra khỏi chỗ đó, và tìm một lối đi khác”.
Ông và các nhà nghiên cứu pin mặt trời khách mời của mình đã xử lí vấn đề tương tự là thử chế tạo pin mặt trời với gallium indium nitride. Khó khăn trong việc tạo ra màu lục trên gallium nitride là pha indium tách rời và vỡ rạn. Khi mạng tạo ra những chất khí phân tử không khớp với mạng của lớp bên dưới, “nó không thể lớn lên đồng bộ và hiệu suất thì rất, rất tệ”, Mascarenhas nói.
Các chuyên gia pin mặt trời của NREL đã tìm ra một cách giải quyết vấn đề đó. Họ đặt thêm một số lớp bổ sung từ từ bắt cầu nối giữa những mạng bị lệch của những lớp tế bào pin mặt trời.
“Phương pháp đó là nuôi những chất liệu khác với một mạng lai nửa nọ nửa kia”, Mascarenhas nói.
Các nhà nghiên cứu cho lắng những lớp có kiểu mạng nguyên tử gần gũi, nhưng không khớp hoàn toàn, với những lớp bên dưới. Khe trống nhỏ xíu có kích thước bằng cái gọi là “giới hạn đàn hồi” của chất liệu – đủ gần cho các mạng liên kết với nhau và các tạp chất bị làm lệch hướng ra ngoài.
Sau đó, thêm một lớp thứ ba, một lần nữa lớp này đúng bằng “giới hạn đàn hồi” của lớp bên dưới. Sau khi xếp lớp khoảng 7 micron, kết quả là một tế bào mặt trời với một liên kết chắc chắn và hầu như không có tạp chất.
Vậy tại sao không thử một quá trình giống như vậy, chỉ khác là làm ngược lại, để chế tạo một đèn LED màu lục đậm đáng tin cậy, sử dụng gallium nitride và indium?
Một màu lục đậm trong lần thử nghiệm đầu tiên
Thật bất ngờ, một khi đã lĩnh hội được khái niệm, đội của Mascarenhas đã tạo ra một màu lục đậm rực rỡ trong lần thử nghiệm đầu tiên của họ - không cần tiền chi hỗ trợ cho nỗ lực đó.
Mục tiêu hiện nay là cung cấp một màu thứ tư để làm cho ánh sáng trắng đó trắng thêm nữa.
NREL lên kế hoạch sử dụng một màu đỏ đậm hơn một chút và một màu lục chanh, rồi kết hợp chúng với một màu lam và một màu lục rất đậm tạo ra bằng công nghệ xây dựng trên nền tảng gallium nitride.
Trong ba năm, NREL sẽ có một dụng cụ ba màu khi kết hợp với màu lam và màu lục đậm thì có thể tạo ra một đèn LED đích thực với chỉ số xếp màu trên 90, Mascarenhas nói.
“Nó sẽ mang lại cho bạn một trong những nguồn sáng trắng xếp hạng màu tốt nhất” và chi phí sản xuất sẽ không tăng, ông nói.
“Chúng tôi đã có bằng sáng chế cho một dụng cụ sẽ cung cấp hai màu này, dạng một đơn vị, cho ngành công nghiệp”, Mascarenhas nói. “Họ sẽ sắp xếp chúng theo kiểu giống như mắt ruồi – các đơn vị của chúng tôi nằm sát bên nhau với sự kết hợp màu lam và màu lục đậm, theo kiểu xen kẽ”.
“Nhìn từ xa, nó sẽ trông như màu trắng. Bạn sẽ không thể thấy từng màu riêng biệt của cấu trúc ghép liền kề. Chúng tôi hết sức hài lòng là đã đạt tới thành công này”, Mascarenhas nói.
“Các vấn đề kĩ thuật rồi sẽ được giải quyết”, ông nói. “Đây là khoa học thực tiễn, chứ không phải khoa học viễn vông”.
LED ánh sáng trắng thu được sẽ là LED thông minh. “Chúng ta sẽ có thể điều khiển bằng điện tử màu sắc của bóng đèn”, ông nói. “Chúng ta có thể thay đổi sự kết hợp cường độ của bốn màu này trên một mạch điện tử. Bằng cách tăng một chút màu lam, chúng ta có thể làm cho nó thích hợp hơn trong ánh sáng ban ngày. Bằng cách giảm màu lam và tăng màu vàng hơi đỏ, chúng ta có thể làm cho nó trông êm ái hơn, thích hợp hơn cho ban đêm. Chúng ta có thể điều khiển nhẹ nhàng màu sắc suốt ngày theo kiểu mà chẳng ai từng dám mơ tới”.
Và khi đó các đèn LED sẽ tiết kiệm chừng 120 tỉ đô la điện năng từ bây giờ đến năm 2030, Bộ Năng lượng Mĩ dự báo. Đó là chưa kể đến hàng chục triệu tấn khí nhà kính.
“Đây là một thực tế”, Mascarenhas nói. “Điều này sắp diễn ra rồi”.
Theo PhysOrg.com
