Thiết kế pin quang năng mới dựa trên chấm lượng tử và dây nano
Thứ năm, 25/07/2013 - 08:23
Sử dụng các hạt nguyên tử ngoại lai được gọi là các chấm lượng tử như 1 phần thiết yếu trong pin quang điện không phải một ý tưởng mới mẻ nhưng những nỗ lực để làm cho thiết bị này có thể chuyển đổi quang năng thành điện năng cho tới nay vẫn chưa hề đạt được hiệu quả cao như mong muốn.
Hình ảnh qua kính hiển vi cho thấy các dây nano kẽm oxit (trên) và một lớp cắt ngang tế bào quang điện được làm từ các dây nano, xen kẽ với các chấm lượng tử làm từ chì sunfua (vùng tối). Một lớp màu vàng trên đỉnh (dải sáng màu) và một lớp in-đi thiếc oxit ở dưới cùng (vùng sáng hơn) hình thành nên hai cực của tế bào năng lượng mặt trời.
Sử dụng các hạt nguyên tử ngoại lai được gọi là các chấm lượng tử như 1 phần thiết yếu trong pin quang điện không phải một ý tưởng mới mẻ nhưng những nỗ lực để làm cho thiết bị này có thể chuyển đổi quang năng thành điện năng cho tới nay vẫn chưa hề đạt được hiệu quả cao như mong muốn. Một nhóm các nhà nghiên cứu tại MIT đã đưa ra ý kiến lấy vô số các dây nano để bọc các chấm lượng tử lại, có thể là một bước tiến đáng kể trong công việc này.
Thiết bị quang điện dựa vào các chấm lượng tử keo nhỏ có một số lợi thế tiềm năng so với các phương pháp khác để tạo ra pin quang năng: chúng có thể được sản xuất trong nhiệt độ phòng, tiết kiệm năng lượng và ko gặp khó khăn liên quan tới các quá trình ở nhiệt độ cao của silicon hay các vật liệu khác để làm pin quang điện. Chúng có thể được làm từ các nguyên liệu sẵn có, đồi dào, rẻ tiền mà không yêu cầu phải tinh chế như silicon. Chúng cũng có thể được áp dụng cho nhiều loại vật liệu rẻ tiền khác như các loại như có trọng lượng nhẹ.
Nhưng để thiết kế được thiết bị này cần có một sự đánh đổi vì một pin quang năng hiệu quả có hai nhu cầu trái ngược nhau: lớp hấp thụ của tế bào pin quang năng cần phải mỏng để điện tích có thể dễ dàng đi từ nơi mà ánh sáng mặt trời được hấp thụ đến các dây dẫn truyền điện đi, nhưng nó cũng cần có độ dày đủ để hấp thụ ánh sáng một cách thật hiệu quả. Khi tăng tính hiệu quả của một mặt thì lại làm cho điều còn lại xấu đi, Joel Jean, nghiên cứu sinh đang học tiến sĩ tại khoa Kỹ thuật điện và khoa học máy tính tại MIT cho biết.
“Màng dày sẽ hấp thụ ánh sáng, màng mỏng sẽ cho điện tích qua dễ dàng hơn. Đó là sự trái ngược nhau rất lớn giữa chúng.” Anh nói.
Tuy vậy điều đó lại giúp việc bổ sung các dây nano oxit kẽm trở nên hữu ích, Jean- tác giả bài báo đăng trên tạo chí Advanced Materials cho biết. Đồng tác giả của bài báo đó là giáo sư hóa học Moungi Bawendi, giáo sư kỹ thuật và khoa học vật chất Silvija Gradecak, giáo sư kỹ thuật điện và khoa học máy tính Vladimir Bulovic, ba sinh viên vừa tốt nghiệp và một nghiên cứu sinh đang học tiến sĩ khác.
Những dây nano đó có tính dẫn điện đủ để truyền điện đi một cách dễ dàng nhưng cũng đủ dài để đảm bảo một độ dày cần thiết cho việc hấp thu ánh sáng, Jean nói. Sử dụng quá trình phát tiển từ dưới lên để phát triển các dây nano và đưa các chấm lượng tử chì sunfua xâm nhập vào đã tăng thêm 50% lượng điện năng mà tế bào quang điện hiện tại có thể sản xuất, và tăng thêm 35% tổng hiệu suất.
Một lợi thế của pin quang năng dựa trên chấm lượng tử đó là chúng có thể điều chỉnh để hấp thu ánh sáng trên diện rộng với nhiều bước sóng hơn các thiết bị thông thường. Điều này bước đầu chứng minh cho giả thuyết rằng sự tối ưu hóa và cải thiện hơn nữa những hiểu biết của con người về vật lý sẽ giúp phát triển những thiết bị pin quang năng mới đầy tính khả thi và tiết kiệm chi phí.
Thanh Thảo (Nguồn Popularmechanics.co)