Tăng hiệu suất pin quang điện với anten chất liệu ống nano cacbon
Thứ bảy, 24/08/2013 - 09:44
Nhóm kỹ sư hóa học của Viện công nghệ Massachusetts (MIT) đã tìm ra cách thu được lượng năng lượng mặt trời cao gấp 100 lần so với các loại pin quang điện thông thường bằng cách sử dụng ống nano cacbon.
Nhóm kỹ sư hóa học của Viện công nghệ Massachusetts (MIT) đã tìm ra cách thu được lượng năng lượng mặt trời cao gấp 100 lần so với các loại pin quang điện thông thường bằng cách sử dụng ống nano cacbon. Những ống nano này sẽ tạo thành anten thu và tập trung năng lượng ánh sáng từ những tia mặt trời dù nhỏ hơn nhưng cường độ mạnh hơn.
Chi tiết mô tả anten ống nano cacbon, hay còn gọi là “phễu mặt trời” (solar funnel) được đăng tải trên trang điện tử Nature Materials ngày 12/09. Anten này được đánh giá rất hữu ích cho bất kỳ ứng dụng nào khác cần sử dụng ánh sáng tập trung như kính quan sát trong đêm hay kính thiên văn. Các tấm panel mặt trời tạo ra điện năng bằng cách chuyển hóa photon thành dòng điện. Anten ống nano cacbon của nhóm kỹ sư giúp tăng số lượng photon thu được và chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành năng lượng trong pin mặt trời. Anten này là một sợi dây vặn thừng dài 10 micromet (1 phần triệu mét), dày 4 micromet, chứa khoảng 30 triệu ống nano cacbon. Nhóm nghiên cứu đã tạo ra một sợi gồm 2 lớp ống nano cacbon với các đặc tính điện khác nhau, đặc biệt là có mức năng lượng khe vùng (band gap) khác nhau. Trong bất kỳ vật liệu nào, electron có thể tồn tại dưới nhiều mức độ năng lượng khác nhau. Photon khi va vào bề mặt sẽ kích thích và làm tăng mức năng lượng của một electron vốn là đặc trưng của vật liệu. Sự tương tác giữa các electron mang năng lượng và những lỗ trống mà nó tạo nên gọi là một exiton, và sự khác biệt về mức năng lượng giữa lỗ trống và electron được gọi là độ rộng khe vùng, hay năng lượng khe vùng (bandgap). Lớp bên trong của anten chứa các ống nano có bandgap nhỏ, còn ống nano ở lớp ngoài có bandgap lớn hơn. Điều này rất quan trọng bởi exiton thường di chuyển từ nơi có năng lượng cao đến nơi có năng lượng thấp. Trong trường hợp này, điều đó có nghĩa là các exiton ở lớp phủ ngoài sẽ di chuyển ngược vào trong - là nơi có mức năng lượng thấp hơn.
Do đó, khi có va chạm giữa ánh sáng với vật liệu, toàn bộ exiton sẽ di chuyển vào và tập trung tại trung tâm của sợi. Hiện nhóm nghiên cứu đang lên kế hoạch thiết kế một thiết bị quang điện ứng dụng loại anten này. Trong thiết bị đó, anten sẽ đóng vai trò tập trung photon trước khi pin quang điện chuyển đổi chúng thành dòng điện. Điều này là hoàn toàn khả thi nếu đưa được anten ống nano cacbon bọc xung quanh lõi của vật liệu bán dẫn. Mặt phân giới giữa chất bán dẫn và ống nano sẽ tách electron khỏi lỗ trống, sau đó các electron sẽ tập trung tại một điện cực có tiếp xúc với chất bán dẫn bên trong, còn các lỗ trống được thu về cực còn lại có tiếp xúc với các ống nano. Bằng cách này hệ thống sẽ tạo ra dòng điện. Khi đó, hiệu suất của pin năng lượng mặt trời phụ thuộc vào vật liệu sử dụng chế tạo điện cực. Đây là lần đầu tiên giới khoa học chế tạo được các sợi ống nano có khả năng điều tiết thuộc tính của nhiều lớp khác nhau nhờ có những tiến bộ gần đây trong việc phân tách các ống nano với nhiều đặc tính khác nhau.
Nhóm nghiên cứu hiện đang tiến hành nghiên cứu phương pháp giúp hạn chế năng lượng bị hao phí khi exiton di chuyển bên trong sợi và một phương pháp khác cho phép tạo ra nhiều hơn một exiton/photon. Các bó ống nano miêu tả trên Nature Materials làm thất thoát khỏang 13% năng lượng hấp thụ được, tuy nhiên nhóm đang nỗ lực nghiên cứu thêm loại anten mới nhằm giảm thiểu phần năng lượng này xuống còn 1%
Theo ScienceDaily