Pin mặt trời hữu cơ polymer đảo ngược đạt kỷ lục hiệu suất mới

27/11/2012

Trong nhiều năm qua, nhiều nhà khoa học đã cố gắng chế tạo pin quang điện (pin mặt trời) hữu cơ dựa trên vật liệu polymer (OPV - organic photovoltaic solar cell) có hiệu suất đạt mức 10%, mức danh định được cho là đủ để phục vụ các ứng dụng thương mại, nhưng chưa có nhóm nào thành công. Tuy nhiên, mới đây, nhóm nghiên cứu tại trường Đại Học Công Nghệ Nam Trung Quốc (Quảng Châu, Trung Quốc) hợp tác cùng 2 công ty Hoa Kỳ, Philips 66 và Solarmer, thông báo họ đã đạt được mức hiệu suất kỷ lục mới 9,2% cho pin OPV, một con số gần với mức danh định và là một bước tiến so với kỷ lục 8,37% gần đây.

Pin mặt trời hữu cơ polymer có cấu trúc đảo ngược với hiệu suất 9,2% có thể sẽ xuất hiện trên thị trường vào năm 2013.

Được biết kỷ lục này đã được Phòng Thí Nghiệm Quang Điện của Trung Tâm Newport Technology & Application Center (Long Beach, California, Hoa Kỳ) xác nhận và công trình của nhóm cũng đã được xuất bản trên tạp chí danh tiếng Nature Photonics. Dự kiến thương mại hóa vào năm sau (2013), phát kiến này hứa hẹn mở ra một kỷ nguyên mới cho các ứng dụng dùng pin mặt trời, bao gồm cả việc tích hợp các tấm phim pin mặt trời dẻo lên xe hơi, phủ trên các cửa sổ trong suốt, và thậm chí cả áo quần hoạt động bằng năng lượng ánh sáng.

Nhiều bạn sẽ thắc mắc tại sao giá trị 9,2% nhỏ hơn mức danh định 10% mà chúng ta đã lại mừng như vậy và lại có thể nói đến thương mại hóa các pin OPV này. Nếu các bạn biết rằng pin mặt trời thường thấy hiện nay là loại silicon có hiệu suất lên đến 20% thì các bạn sẽ còn thấy khó hiểu hơn nữa với việc sản xuất loại pin OPV thay thế cho pin silicon. Thực ra quá trình thương mại hóa một sản phẩm không đơn thuần chỉ dựa vào hiệu suất và còn liên quan đến giá cả, vòng đời sản phẩm, đặc điểm của pin. Mặc dù hiệu suất cao, pin mặt trời silicon hiện nay có giá thành sản xuất khá đắt đỏ, trung bình gấp 3-5 lần so với pin mặt trời hữu cơ OPV do sử dụng nhiều vật liệu hơn và công nghệ sản xuất không thuận lợi bằng. Thêm vào đó, OPV lại có đặc tính vừa nhẹ, trong suốt, có khả năng uốn dẻo, lại hoạt động tốt trong điều kiện ánh sáng yếu. Vì thế, việc tạo ra pin OPV có hiệu suất cao, dễ chế tạo, chi phí rẻ, vòng đời dài đóng vai trò quan trọng. Và pin OPV của nhóm nghiên cứu trên gần như thỏa mãn tất cả các yêu cầu trên, do đó, nghiên cứu gần như sẵn sàng cho việc thương mại hóa trong tương lai gần (dự kiến sang năm).

Điểm lại nội dung công trình nghiên cứu, một trong những khó khăn mà nhóm nghiên cứu gặp phải với pin OPV đó là vòng đời của pin loại này khá ngắn, với nguyên do phần lớn đến từ tính chất dễ dàng oxy hóa trong không khí của kim loại phản ứng làm ca tốt (cực dương trong pin OPV dạng thường). Mặc dù việc bọc cực dương lại có thể làm giảm quá trình này nhưng nhóm nghiên cứu thấy một cách tiếp cận khác hay hơn đó là loại bỏ sự cần thiết của kim loại này bằng cách đảo ngược cấu trúc pin. Pin OPV với cấu trúc đảo ngược này được gọi là pin OPV đảo ngược (inverted OPV).

Hình 1: Cấu trúc cơ bản của pin OPV loại thường, a nôt cấu tạo bằng nhôm là cực âm trong khi ca tốt tương ứng với cực dương

Trong pin OPV đảo ngược, các điện tích di chuyển khỏi thiết bị theo hướng ngược lại với hướng di chuyển trong pin OPV thường. Các điện cực được đảo ngược vị trí, ca tốt bây giờ là cực âm còn a nốt lại trở thành cực dương (xem hình). Quá trình đảo ngược này cho phép các nhà nghiên cứu sử dụng vật liệu phù hợp hơn để chế tạo ca tốt, tạo ra cấu trúc tối ưu cho việc sản xuất hàng loạt bằng công nghệ in roll-to-roll (roll-to-roll printing technology) hoặc in phun, đồng thời khiến pin bền vững hơn, ít bị môi trường làm hỏng như OPV thường. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đó đều cho thấy nhược điểm của các loại OPV đảo ngược là chúng có hiệu suất thấp hơn so với loại thường. Đây cũng là vấn đề mà nhóm nghiên cứu phải giải quyết.

Hình 2: Pin OPV đảo ngược của nhóm nghiên cứu, a nốt làm bằng bạc (Ag) hoặc nhôm (Al) là cực dương và ca tốt bằng ITO là cực âm của pin, ngược với OPV thường

Để thu được hiệu suất cao, các nhà khoa học đã lợi dụng một đặc trưng của quá trình đảo ngược mà trước đó thường bị bỏ qua: khả năng cho phép điều khiển độc lập các photon (lượng tử ánh sáng) thu được từ phổ ánh sáng mặt trời mà nếu dựa vào đó có thể nâng cao mức hấp thụ photon của pin. Bằng cách sử dụng một lớp vật liệu nhạy sáng kẹp giữa hai điện cực, pin của nhóm cho phép hấp thụ lượng phôton nhiều hơn cấu trúc thường, kết quả cho thấy một mật độ dòng điện với giá trị 17,2 mA/cm2 được tạo ra, cao hơn mức 15,4 mA/cm2 (tương ứng 11%) so với OPV thường.

“Yếu tố tiên quyết nằm trong chính cấu trúc pin”, Hongbin Wu, giáo sư tại Trường Đại Học Công Nghệ Nam Trung Quốc phát biểu. “Khi polymer PFN tiếp hợp (conjugated polymer PFN) được sử dụng như lớp trung gian giữa chất nền ôxit thiếc indi (ITO - indium tin oxide) và lớp nhạy sáng (photoactive layẻ), nó vừa có thể tạo ra tiếp xúc thuần trở cho quá trình trích xuất điện tử (electron) đồng thời lại tối ưu hóa quá trình thu nhận photon.”

Bên cạnh hiệu suất, nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm mẫu nghiên cứu của mình về độ bền. Kết quả rất khả quan, hiệu suất pin OPV đảo ngược vẫn duy trì khoảng 95% so với mức ban đầu sau 62 ngày sử dụng, trong khi đó, với pin OPV thông thường, hiệu suất giảm đến 50% chỉ sau có 10 ngày sử dụng.

Ngạc nhiên hơn, nhóm nghiên cứu còn cho biết theo tính toán của họ thì hiệu suất pin của họ có thể lên đến 10% khi thực hiện một vài cải tiến hợp lý như thay đổi đôi chút vật liệu chế tạo hay chỉnh sửa cấu trúc, và nhóm sẽ thực hiện trong thời gian tới. “Tôi tự tin rằng, ở mức phòng thí nghiệm [của nhóm], mức hiệu suất 10% sẽ đạt được trong thời gian rất sớm", giáo sư Wu chua thêm. Ông cũng cho biết sau khi đạt được mức hiệu suất danh định này, họ sẽ tập trung vào các nghiên cứu sâu hơn về độ bền pin và kỹ thuật chế tạo sao cho đạt được chi phí thấp nhất.

Hiệu suất, chi phí chế tạo, lẫn tuổi thọ của pin dường như đã được nhóm nghiên cứu giải quyết trong công trình nghiên cứu của mình, tạo đà cho việc thương mại hóa trong thời gian tới, mà theo họ nói thì “vào một thời điểm nào đó trong năm tới [2013]”

Toàn văn nghiên cứu của nhóm được đăng trên tập san Nature Photonics tại địa chỉ này, tuy nhiên, chỉ những ai có tài khoản mới có thể tải về. Anh em nếu quan tâm chi tiết có thể nhờ bạn bè hoặc ai đó khả dĩ giúp đỡ tải bài báo và nghiên cứu thêm.

Kim Anh Theo Phys.org

Pin mặt trời hữu cơ polymer đảo ngược đạt kỷ lục hiệu suất mới

Việt Nam làm chủ công nghệ sản xuất phụ gia, tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng

National Energy Efficiency Programme - Ministry of Industry and Trade