Công nghệ mới trong lĩnh vực năng lượng mặt trời được truyền cảm hứng từ ... một loài bướm
Chính những chú bướm đã truyền cảm hứng mới cho ngành quang điện: với thiết kế giống như cánh bướm, khả năng hấp thụ ánh sáng có thể lên tới 200%.
TS Hendrik Hölscher, Viện Công nghệ Vi Cấu trúc (IMT), KIT cho biết: “Loài bướm mà chúng tôi nghiên cứu là loài có màu cực đen. Điều này có nghĩa là chúng hấp thụ ánh sáng mặt trời một cách triệt để để tối ưu hóa quản lý nhiệt. Điều thú vị hơn màu sắc bề ngoài của loài bướm này đó chính là cơ chế giúp đạt được sự hấp thụ cao. Tiềm năng tối ưu khi chuyển các cấu trúc này sang hệ thống quang điện (PV) cho thấy cao hơn nhiều so với dự kiến”.
Tuy nhiên, theo Guillaume Gomard, IMT, “Điều này không có nghĩa là hiệu quả của hệ thống PV hoàn chỉnh được tăng cường bởi một yếu tố duy nhất này. Các thành phần khác cũng đều có vai trò nhất định. Vì vậy, 200% được coi là một giới hạn lý thuyết cho việc nâng cao hiệu quả”.
Trước khi chuyển các cấu trúc nano thành tấm pin năng lượng mặt trời, các nhà nghiên cứu đã xác định đường kính và sự sắp xếp của lỗ nano trên cánh bướm bằng phương pháp quét kính hiển vi điện tử. Sau đó, dùng mô phỏng máy tính, họ phân tích tỷ lệ hấp thụ ánh sáng trong các mô hình lỗ khác nhau. Họ phát hiện ra những lỗ có đường kính khác nhau, chẳng hạn như những lỗ trên cánh bướm đen, tạo ra tỷ lệ hấp thụ ổn định nhất trên toàn bộ dải tần số khi thay đổi các góc so với nano hạch đơn được sắp xếp định kỳ. Do đó, các nhà nghiên cứu đã đưa ra các lỗ định vị ngẫu nhiên vào một tấm hấp thụ PV mỏng, có đường kính thay đổi từ 133 đến 343 nanomet.
Mô-đun PV mỏng chính là sự thay thế rất hấp dẫn về mặt chi phí so với các tấm pin năng lượng mặt trời silicon tinh thể thông thường, vì lớp hấp thụ ánh sáng mỏng hơn, do đó giảm tiêu thụ vật liệu. Tuy nhiên, tỷ lệ hấp thụ của các lớp mỏng nằm dưới các tế bào silic tinh thể. Do đó, chúng được sử dụng trong các hệ thống cần ít năng lượng, chẳng hạn như máy tính bỏ túi hoặc đồng hồ. Tăng cường hấp thụ giúp các tấm pin mỏng rất phù hợp trong các ứng dụng ở quy mô lớn hơn, ví dụ như hệ thống các tấm pin năng lượng mặt trời đặt trên mái nhà.
Cấu trúc nano của cánh bướm Pachliopta có thể được chuyển sang tấm pin năng lượng mặt trời,
tăng cường độ hấp thụ ánh sáng lên tới 200%. Ảnh: Radwanul H. Siddique, KIT/Caltech.
Cánh của loài bướm Pachliopta với những lỗ hổng giống như cấu trúc nano (lỗ hổng nano) giúp hấp thụ ánh sáng với quang phổ rộng hơn rất nhiều so với các bề mặt nhẵn. Nhóm nghiên cứu của Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT), Đức đã thành công trong việc chuyển các cấu trúc nano này sang tấm pin năng lượng mặt trời, do đó, tăng cường độ hấp thụ ánh sáng lên tới 200%. Báo cáo nghiên cứu của họ cũng đã được công bố trên tạp chí Science Advances.
TS Hendrik Hölscher, Viện Công nghệ Vi Cấu trúc (IMT), KIT cho biết: “Loài bướm mà chúng tôi nghiên cứu là loài có màu cực đen. Điều này có nghĩa là chúng hấp thụ ánh sáng mặt trời một cách triệt để để tối ưu hóa quản lý nhiệt. Điều thú vị hơn màu sắc bề ngoài của loài bướm này đó chính là cơ chế giúp đạt được sự hấp thụ cao. Tiềm năng tối ưu khi chuyển các cấu trúc này sang hệ thống quang điện (PV) cho thấy cao hơn nhiều so với dự kiến”.
Hai nhà khoa học, Hendrik Hölscher và Radwanul H. Siddique đã tái tạo các cấu trúc nano của loài bướm này thành một lớp hấp thụ bằng silicon trong một tấm pin mặt trời rất mỏng. Các phân tích tiếp theo về sự hấp thụ ánh sáng cho kết quả rất khả quan: So với bề mặt nhẵn, tỷ lệ hấp thụ ánh sáng vuông góc tăng 97% và tăng liên tục cho đến 207% ở góc 50 độ. Hendrik Hölscher cho biết: “Điều này đặc biệt thú vị trong điều kiện của Châu Âu. Thông thường, ánh sáng khuếch tán hầu như không rơi vào các tấm pin năng lượng mặt trời ở góc thẳng đứng”.
Tuy nhiên, theo Guillaume Gomard, IMT, “Điều này không có nghĩa là hiệu quả của hệ thống PV hoàn chỉnh được tăng cường bởi một yếu tố duy nhất này. Các thành phần khác cũng đều có vai trò nhất định. Vì vậy, 200% được coi là một giới hạn lý thuyết cho việc nâng cao hiệu quả”.
Trước khi chuyển các cấu trúc nano thành tấm pin năng lượng mặt trời, các nhà nghiên cứu đã xác định đường kính và sự sắp xếp của lỗ nano trên cánh bướm bằng phương pháp quét kính hiển vi điện tử. Sau đó, dùng mô phỏng máy tính, họ phân tích tỷ lệ hấp thụ ánh sáng trong các mô hình lỗ khác nhau. Họ phát hiện ra những lỗ có đường kính khác nhau, chẳng hạn như những lỗ trên cánh bướm đen, tạo ra tỷ lệ hấp thụ ổn định nhất trên toàn bộ dải tần số khi thay đổi các góc so với nano hạch đơn được sắp xếp định kỳ. Do đó, các nhà nghiên cứu đã đưa ra các lỗ định vị ngẫu nhiên vào một tấm hấp thụ PV mỏng, có đường kính thay đổi từ 133 đến 343 nanomet.
Các nhà khoa học đã chứng minh rằng năng suất ánh sáng có thể được tăng lên đáng kể bằng cách giảm bớt vật liệu. Trong dự án, họ dùng silic vô định hình được hydro hóa. Tuy nhiên, theo các nhà nghiên cứu, bất kỳ loại công nghệ PV màng mỏng nào cũng có thể được cải tiến với cấu trúc nano như vậy, ở quy mô công nghiệp cũng tương tự.
Mô-đun PV mỏng chính là sự thay thế rất hấp dẫn về mặt chi phí so với các tấm pin năng lượng mặt trời silicon tinh thể thông thường, vì lớp hấp thụ ánh sáng mỏng hơn, do đó giảm tiêu thụ vật liệu. Tuy nhiên, tỷ lệ hấp thụ của các lớp mỏng nằm dưới các tế bào silic tinh thể. Do đó, chúng được sử dụng trong các hệ thống cần ít năng lượng, chẳng hạn như máy tính bỏ túi hoặc đồng hồ. Tăng cường hấp thụ giúp các tấm pin mỏng rất phù hợp trong các ứng dụng ở quy mô lớn hơn, ví dụ như hệ thống các tấm pin năng lượng mặt trời đặt trên mái nhà.
Không có nhận xét nào