Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo hứa hẹn nhất, nhưng nó cũng gặp phải một số thách thức.

Xem thêm: Khám phá bước nhảy vọt của máy tính lượng tử trong nghiên cứu pin mặt trời hiệu suất cao.

Một trong số đó là cách lưu trữ năng lượng dư thừa được tạo ra bởi các tấm pin mặt trời vào ban ngày và sử dụng nó khi mặt trời không chiếu sáng. Một thách thức khác là làm cho các thiết bị năng lượng mặt trời hiệu quả hơn, bền hơn và có giá cả phải chăng hơn.

Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Cordoba và Viện Max Planck về Nghiên cứu Chất rắn đã phát triển một giải pháp mới cho những vấn đề này: một pin mặt trời có thể đồng thời hấp thụ ánh sáng và lưu trữ năng lượng sử dụng 2D carbon nitride, một vật liệu không độc hại và dễ tổng hợp.

Năng lượng mặt trời
Sơ đồ pin 2D carbon nitride. Ảnh: Universidade de Vigo, Renewable Energy, Creative Commons License CC BY 4.0

2D carbon nitride là gì và nó hoạt động như thế nào?

2D carbon nitride là một vật liệu bao gồm các nguyên tử carbon và nitơ được sắp xếp theo cấu trúc tổ ong, tương tự như graphene. Nó thuộc họ vật liệu được gọi là khung hữu cơ cộng hóa trị (COF), có các tính chất có thể điều chỉnh và có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng, chẳng hạn như xúc tác, lưu trữ khí và cảm biến.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng 2D carbon nitride làm thành phần chính của pin mặt trời của họ, kết hợp chức năng của thiết bị quang điện (chuyển đổi ánh sáng thành điện) và siêu tụ điện (lưu trữ năng lượng điện). Pin mặt trời có cấu trúc nhiều lớp, với một điện cực trong suốt ở trên cùng, tiếp theo là một lớp 2D carbon nitride, một lớp chất vận chuyển lỗ hổng polymer (thúc đẩy sự di chuyển của các điện tích dương), và một điện cực trong suốt khác ở dưới cùng.

Lớp 2D carbon nitride hoạt động như cả một chất hấp thụ ánh sáng và một bộ lưu trữ điện tích. Khi ánh sáng chiếu vào pin mặt trời, các electron bị kích thích từ lớp 2D carbon nitride đến điện cực trên cùng, tạo ra một dòng điện. Đồng thời, một số electron bị mắc kẹt trong lớp 2D carbon nitride, tạo ra sự mất cân bằng điện tích có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng. Năng lượng được lưu trữ có thể được giải phóng bằng cách kết nối hai điện cực với một mạch điện bên ngoài.

Những ưu điểm của pin năng lượng mặt trời này là gì?

Pin mặt trời có ưu điểm là có thể hấp thụ ánh sáng từ cả hai phía, không chỉ từ ánh sáng mặt trời trực tiếp mà còn từ ánh sáng khuếch tán hoặc phản xạ từ môi trường xung quanh. Nghiên cứu cho thấy ánh sáng chiếu từ phía sau (khi ánh sáng đến từ phía sau pin mặt trời) có nhiều lợi ích hơn so với ánh sáng chiếu từ phía trước.

Ví dụ, ánh sáng chiếu từ phía sau có thể làm tăng lượng điện tích đầu ra lên 243%, hiệu suất coulombic điện lên 231%, và năng lượng đầu ra lên 94.1% so với ánh sáng chiếu từ phía trước.

Pin mặt trời có khả năng cung cấp các loại dòng điện khác nhau cho các ứng dụng khác nhau. Nó cung cấp dòng điện lớn, mạnh mẽ để cấp nguồn cho thiết bị yêu cầu công suất cao như đèn LED hoặc động cơ điện. Ngoài ra, nó cũng cung cấp dòng điện nhỏ hơn và liên tục cho các thiết bị yêu cầu công suất thấp như cảm biến hoặc hệ thống thông tin không dây.

Một ưu điểm thứ ba của pin mặt trời này là sử dụng vật liệu bền vững, có sẵn, không độc hại và dễ tổng hợp. Ví dụ, 2D carbon nitride có thể được tạo ra từ các tiền chất đơn giản như urê hoặc melamine, rất phổ biến và chi phí thấp. Hơn nữa, 2D carbon nitride ổn định trong điều kiện môi trường và không bị phân hủy theo thời gian hoặc dưới các chu kỳ sạc và xả lặp lại.

“Công trình này là một bước quan trọng hướng tới việc đạt được chuyển đổi và lưu trữ năng lượng bền vững bằng cách sử dụng các vật liệu có sẵn trên trái đất,” Tiến sĩ Florian Podjaski, một trong những tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. “Chúng tôi hy vọng rằng khái niệm pin mặt trời của chúng tôi sẽ truyền cảm hứng cho nghiên cứu và đổi mới tiếp theo trong lĩnh vực này.

Các nhà nghiên cứu tin rằng pin mặt trời của họ có thể có tác động đáng kể đến thị trường năng lượng tái tạo. Họ hy vọng rằng nó sẽ được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau, giúp chúng ta chuyển sang một tương lai năng lượng sạch hơn.

Share.
Theo dõi
Thông báo của
guest
0 Góp ý
Phản hồi nội tuyến
Xem tất cả bình luận