Pin năng lượng mặt trời có khả năng cải thiện hiệu suất hơn 20%
Thứ tư, 20/10/2021 - 14:48
Nhóm nghiên cứu tại Trường ĐH Bách khoa TP.HCM vừa chế tạo thành công loại pin năng lượng mặt trời từ vật liệu nanocomposite mới trên cơ sở graphene với khả năng cải thiện hiệu suất hơn 20% so với pin dùng vật liệu Pt và TiO2 truyền thống.
Sự gia tăng nhu cầu sử dụng năng lượng hóa thạch trên phạm vi toàn cầu đã và đang kéo theo nhiều vấn đề về ô nhiễm môi trường cũng như cạn kiệt các nguồn tài nguyên thiên nhiên. Các vấn đề trên đã thúc đẩy nhiều nhà khoa học nghiên cứu phát triển công nghệ năng lượng tái tạo như mặt trời, điện, gió, và thủy triều.
Sản phẩm pin năng lượng mặt trời của đề tài nghiên cứu
Trong thời gian qua, các nghiên cứu liên quan đến sản xuất pin mặt trời không ngừng cải tiến và mang lại nhiều kết quả khả quan, điển hình là sự xuất hiện của pin mặt trời chất màu nhạy quang (Dyesensitized Solar Sell - DSSC) hiện được nhiều quốc gia chú trọng phát triển vì giá thành sản xuất rẻ, nguyên vật liệu dùng để chế tạo điện cực của pin đa dạng. Đáng chú ý, sự phát triển mạnh của vật liệu nano như ống nano cacbon, cacbon vulcan hay graphene, cũng đã mở ra những hướng phát triển mới cho pin DSSC. Trong đó, việc cải tiến điện cực catot và điện cực anot trong pin DSSC là những nghiên cứu được nhiều nhà khoa học quan tâm.
Không nằm ngoài xu hướng đó, nhóm nghiên cứu trường ĐH Bách khoa TP. HCM do TS Phạm Trọng Liêm Châu đứng đầu đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite trên cơ sở graphene ứng dụng trong pin mặt trời chất màu nhạy quang”. Đề tài tập trung nghiên cứu ứng dụng của các loại vật liệu nanocomposite mới trên cơ sở graphene (Gr) như graphene-platin (Gr-Pt) và graphene-titan dioxit (Gr-TiO2), qua đó vừa giúp giảm chi phí sản xuất, vừa đảm bảo hiệu suất chuyển hóa năng lượng của pin DSSC.
Sau 2 năm nghiên cứu, nhóm đã thành công trong việc tạo ra các sản phẩm, gồm: Keo in lụa Gr-Pt và Gr-TiO2; điện cực catot Gr-Pt và anot Gr-TiO2. Từ đó xây dựng quy trình và lắp ráp thành công pin DSSC chế tạo từ điện cực catot và anot với vật liệu là Gr-Pt và Gr-TiO2, cải thiện hiệu suất chuyển hóa năng lượng cao hơn 7%, tăng hiệu suất hơn 20% so với pin chỉ hoàn toàn sử dụng vật liệu Pt và TiO2.
Sau 2 năm nghiên cứu, nhóm đã thành công trong việc tạo ra các sản phẩm, gồm: Keo in lụa Gr-Pt và Gr-TiO2; điện cực catot Gr-Pt và anot Gr-TiO2. Từ đó xây dựng quy trình và lắp ráp thành công pin DSSC chế tạo từ điện cực catot và anot với vật liệu là Gr-Pt và Gr-TiO2, cải thiện hiệu suất chuyển hóa năng lượng cao hơn 7%, tăng hiệu suất hơn 20% so với pin chỉ hoàn toàn sử dụng vật liệu Pt và TiO2.
Pin có khả năng cải thiện hiệu suất hơn 20% so với pin dùng vật liệu Pt và TiO2 truyền thống
TS. Phạm Trọng Liêm Châu cho biết, vật liệu được sử dụng làm catot trong pin DSSC phổ biến nhất hiện nay là Pt, còn thành phần chính của anot trong pin chủ yếu là TiO2. “Catot làm từ Pt có điểm mạnh là dẫn điện tốt, khả năng xúc tác, độ bền hóa học và hoạt động ổn định. Anot chế tạo bằng TiO2 lại khá phổ biến bởi ưu điểm về độ bền khi chịu tác động của ánh sáng mặt trời. Tuy nhiên, Pt là kim loại quý có giá thành cao nên chi phí sản xuất pin DSSC cũng tăng theo. Còn với TiO2, các điện tử và lỗ trống trong hợp chất dễ tái tổ hợp, làm giảm hiệu suất của pin”, TS. Châu chia sẻ.
Trong khi đó, graphene sở hữu nhiều ưu điểm như khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt cao, gần như trong suốt, diện tích bề mặt lớn, mềm dẻo, dễ thay đổi hình dạng,… được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực năng lượng. Hơn nữa, nhờ diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn điện tốt, Gr tạo thuận lợi cho quá trình xúc tác phản ứng trở nên dễ dàng, tăng khả năng hấp phụ chất màu nhạy quang của điện cực, qua đó nâng cao hiệu suất chuyển hóa của pin DSSC.
Do vậy, việc chế tạo vật liệu nanocomposite kết hợp Gr với Pt và Gr với TiO2 được thực hiện nhằm tăng cường khả năng chuyển hóa năng lượng và giảm chi phí sản xuất pin. Cụ thể, việc kết hợp vật liệu Gr và Pt sẽ tiết kiệm tối đa vật liệu Pt khi sản xuất. Đối với TiO2, sự kết hợp với Gr giúp hạn chế sự tái tổ hợp của điện tử và lỗ trống, làm tăng khả năng dẫn điện và hiệu suất của pin.
Trong khi đó, graphene sở hữu nhiều ưu điểm như khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt cao, gần như trong suốt, diện tích bề mặt lớn, mềm dẻo, dễ thay đổi hình dạng,… được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực năng lượng. Hơn nữa, nhờ diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn điện tốt, Gr tạo thuận lợi cho quá trình xúc tác phản ứng trở nên dễ dàng, tăng khả năng hấp phụ chất màu nhạy quang của điện cực, qua đó nâng cao hiệu suất chuyển hóa của pin DSSC.
Do vậy, việc chế tạo vật liệu nanocomposite kết hợp Gr với Pt và Gr với TiO2 được thực hiện nhằm tăng cường khả năng chuyển hóa năng lượng và giảm chi phí sản xuất pin. Cụ thể, việc kết hợp vật liệu Gr và Pt sẽ tiết kiệm tối đa vật liệu Pt khi sản xuất. Đối với TiO2, sự kết hợp với Gr giúp hạn chế sự tái tổ hợp của điện tử và lỗ trống, làm tăng khả năng dẫn điện và hiệu suất của pin.
Sản phẩm của đề tài nghiên cứu được nhóm thử nghiệm theo dõi độ giảm hiệu suất với điều kiện chiếu sáng liên tục trong thiết bị Solar-box, quả cho thấy, hiệu suất pin giảm không quá 2% sau khi được chiếu sáng trong 1.000 giờ. Điều này chứng tỏ rằng, pin DSSC được chế tạo từ vật liệu nanocomposite trên cơ sở graphene có khả năng làm việc ổn định trong khoảng thời gian dài và có tiềm năng phát triển khi được thương mại hóa.
TS Phạm Trọng Liêm Châu cho biết, quy trình tổng hợp vật liệu Gr-Pt hay Gr-TiO2 thành công góp phần thúc đẩy nghiên cứu các vật liệu chế tạo điện cực trong pin mặt trời. Bên cạnh đó, với hiệu quả làm việc của pin DSSC cũng có tiềm năng ứng dụng để chiếu sáng trong nhà và có thể mở rộng ứng dụng theo quy mô lớn hơn.
Kết quả của công trình nghiên cứu đã mở ra một hướng phát triển hoàn toàn mới cho việc sản xuất pin quang năng từ vật liệu nanocomposite trên cơ sở graphene ở quy mô lớn với ưu điểm về chi phí nguyên vật liệu, khả năng sẵn sàng ở mức cao về nguồn nguyên liệu đầu vào cũng như nguồn nhân lực chuyên gia tại chỗ.
TS Phạm Trọng Liêm Châu cho biết, quy trình tổng hợp vật liệu Gr-Pt hay Gr-TiO2 thành công góp phần thúc đẩy nghiên cứu các vật liệu chế tạo điện cực trong pin mặt trời. Bên cạnh đó, với hiệu quả làm việc của pin DSSC cũng có tiềm năng ứng dụng để chiếu sáng trong nhà và có thể mở rộng ứng dụng theo quy mô lớn hơn.
Kết quả của công trình nghiên cứu đã mở ra một hướng phát triển hoàn toàn mới cho việc sản xuất pin quang năng từ vật liệu nanocomposite trên cơ sở graphene ở quy mô lớn với ưu điểm về chi phí nguyên vật liệu, khả năng sẵn sàng ở mức cao về nguồn nguyên liệu đầu vào cũng như nguồn nhân lực chuyên gia tại chỗ.
Khánh An