Tế bào quang điện màng mỏng với hiệu suất quang điện đột phá

Pin mặt trời silic đã được chứng minh là một trong những công nghệ quang điện hàng đầu vì chúng sử dụng nguyên liệu phong phú trên trái đất (tức nguyên liệu Silic) và hoạt động với hiệu suất cao. Tuy nhiên, pin mặt trời cấu tạo dựa trên những tấm xốp dày, cứng và nặng. Do đó chúng chỉ có thể được lắp đặt ở hạn chế một số nơi. Một trong những cách khắc phục nhược điểm này là sử dụng màng mỏng để thay thế. Điều này sẽ làm giảm lượng silic cần dùng tới hơn 99% (tiết kiệm nguyên liệu một cách đáng kể) và cũng làm cho các tế bào quang điện (phần tử của pin mặt trời) trở nên linh động và nhẹ. Như vậy, các tế bào này có thể được tích hợp dễ dàng vào các tòa nhà, kiến ​​trúc đô thị và thậm chí là các tiện ích nhỏ hàng ngày. Vấn đề là các màng Si mỏng như vậy không thể hấp thụ ánh sáng một cách hiệu quả. Trên thực tế, chỉ có 25% ánh sáng mặt trời được hấp thụ bởi các màng mỏng silic.

Các nhà nghiên cứu đến từ AMOLF, Đại học Surrey và Đại học Imperial đã tìm ra cách làm cho các tế bào quang điện mỏng trở nên mờ đục bằng việc sử dụng các vật liệu nano được thiết kế hợp lý và từ đó nâng cao hiệu suất của các tế bào. Trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đo được những màng mỏng có kết cấu như vậy hấp thụ 65% ánh sáng mặt trời, rất gần với giới hạn hấp thụ lý thuyết cuối cùng là khoảng 70%. Đây là màng Si mỏng có mức hấp thụ ánh sáng cao nhất từng được quan sát thấy cho tới nay. Do đó, rất có thể các tế bào quang điện silic linh động, trọng lượng nhẹ và hiệu suất cao sẽ được phát triển trong tương lai gần.

Làm thế nào các tế bào hoạt động?

Cấu trúc nano có hoa văn chuyển hướng ánh sáng mặt trời thẳng tới một cách chính xác theo nhiều góc độ, do đó thu giữ ánh sáng bên trong màng thu nhận. Khi ánh sáng bị giữ lại, nó có nhiều cơ hội bị hấp thụ hơn và về cơ bản thì độ dày của màng tăng lên một cách hiệu quả.

Bằng cách đo được góc ánh sáng nào sẽ bẫy các photon bên trong màng Si, các nhà nghiên cứu có thể thiết kế vật chất nano của chúng dựa trên trạng thái vật chất thường thấy trong tự nhiên, từ trật tự của vũ trụ đến sự phân bố của các thụ thể quang trong mắt gia cầm. Các mẫu phân phối siêu đồng dạng (hyperuniform) xuất hiện hoàn toàn ngẫu nhiên nhưng có một số thì xuất hiện theo thứ tự. Do đó, các thiết kế siêu đồng dạng này kết hợp những gì tốt nhất:

• Trật tự cho phép dẫn ánh sáng một cách hợp lý vào các góc rất cụ thể bị mắc kẹt vào màng dựa trên tính tuần hoàn của mẫu.
• Sự rối loạn đối với phép tăng độ rộng của các góc có thể đạt được với một mẫu duy nhất, dẫn đến tăng khả năng hấp thụ.

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng không có một giải pháp duy nhất nào mà là cả một nhóm các thiết kế mẫu siêu đồng dạng, tất cả đều mang tính linh hoạt cao trong thiết kế mà không ảnh hưởng đến hiệu suất quang học. Điều này rất quan trọng từ quan điểm triển khai vì không phải tất cả các thiết kế nanopattern đều có thể dễ dàng chế tạo theo cách có thể mở rộng.

Những thách thức

Hai thách thức chính trong việc bẫy ánh sáng mặt trời là dải màu rộng trong quang phổ mặt trời cùng với kích thước giới hạn của màng. Từ quan điểm quang tử, việc tối ưu hóa định hướng ánh sáng và bắt giữ một màu đơn lẻ là tương đối đơn giản và nó có thể được thực hiện một cách hiệu quả bằng cách sử dụng các cấu trúc tuần hoàn. Tuy nhiên, ánh sáng mặt trời có nhiều màu sắc, mỗi màu có một sức hấp thụ khác nhau trong silic.

Các pin mặt trời Si dày đã giải quyết vấn đề này bằng cách làm nhám bề mặt với các đặc điểm hình chóp có kích thước tương tự như bước sóng ánh sáng (tức là lên đến 1 µm đối với ánh sáng đỏ, nhỏ hơn 1% tổng độ dày Si). Tuy nhiên, khái niệm tương tự chỉ là không thể xảy ra trong các màng mỏng có độ dày bằng bậc của bước sóng ánh sáng.

Nhóm nghiên cứu đã phá vỡ điều này bằng cách thu được dải màu rộng, bao gồm cả màu đỏ, bằng cách chỉ tạo cấu trúc đồng đều cho một phần nhỏ bề mặt của tế bào. Do đó, khái niệm này không chỉ áp dụng cho silicon mỏng mà áp dụng cho bất kỳ màng mỏng hấp thụ ánh sáng để hấp thụ ánh sáng.

Ứng dụng

Trưởng nhóm AMOLF, Esther Alarcon Llado nhận xét “Dựa trên hiệu suất bẫy ánh sáng mạnh của các mẫu của chúng tôi, chúng tôi ước tính rằng hiệu suất PV trên 20% có thể đạt được đối với tế bào c-Si dày 1 µm, điều này sẽ đại diện cho một bước đột phá tuyệt đối về tính linh hoạt, PV c-Si nhẹ”.

Cô ấy nói thêm, “Ngoài ra, chất hấp thụ silicon mỏng hơn chịu được các khuyết tật điện tử hơn so với các chất liệu dày. Điều này có nghĩa là các tế bào silicon mỏng với hiệu suất cao cũng có thể được làm từ silicon cấp thấp hơn, do đó giảm nhu cầu năng lượng cho quá trình tinh chế silicon thô và giảm thời gian hoàn vốn năng lượng của chúng.

“PV mỏng có hoa văn siêu đồng đều (Hyperuniform) là một công nghệ có triển vọng cao. Mặc dù vẫn còn rất nhiều việc phải làm để biến những tế bào màng mỏng như vậy trở thành một phần của môi trường sống của chúng ta, nhưng công việc này khiến chúng tôi rất lạc quan rằng điều này sẽ sớm xảy ra ”.

Link bài gốc: https://phys.org/news/2022-03-efficiencies-thin-photovoltaic-cells.html