Các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (EPFL) phát triển giải pháp, đóng gói cùng lúc 2 phân tử cảm quang, được thiết kế để nâng cao hiệu suất quang điện của pin mặt trời chất nhuộm nhạy quang.
Vào những năm 1990, Brian O'Regan và Michael Grätzel phát
minh ra tế bào pin mặt trời chất nhuộm nhạy quang (DSC), được đặt theo tên của
nhà khoa học - tế bào Grätzel nổi tiếng thế giới.
Tế bào DSC chuyển đổi ánh sáng thành điện năng thông qua chất
cảm quang. Đây là những hợp chất thuốc nhuộm hấp thụ ánh sáng, đưa các điện tử
vào những dãy tinh thể nano oxit, sau đó được thu thập dưới dạng dòng điện.
Trong DSC, chất cảm quang được gắn (“hấp thụ”) vào bề mặt của
màng titan điôxít (titanium dioxide) trung tính tinh thể nano, được tẩm các chất
điện phân oxy hóa khử hoặc bao phủ bằng vật liệu vận chuyển điện tích rắn. Toàn
bộ thiết kế nhằm mục đích tạo ra điện năng bằng phương thức di chuyển các
electron từ bộ cảm quang về phía đầu ra nguồn điện như một thiết bị hoặc một bộ
lưu trữ điện năng.
DSC trong suốt, có thể được chế tạo với nhiều màu sắc với
chi phí thấp và đã được sử dụng trên các cửa sổ trần, nhà kính, cũng như mặt tiền
bằng kính như các cửa sổ trang trí Trung tâm Hội nghị SwissTech. Ngoài ra, các
phiên bản linh hoạt nhẹ của DSC được bán thương mại trên quy mô lớn, sử dụng
ánh sáng xung quanh tạo ra năng lượng điện cho những thiết bị điện tử di động
như tai nghe và đầu đọc điện tử, cũng như các thiết bị Internet of Things (IoT).
Tế bào pin điện chất nhuộm nhạy quang
Những phát triển tiến bộ gần đây đối với chất cảm quang và những
thành phần khác của DSC đã nâng cao hiệu suất của DSC trong cả điều kiện ánh
sáng mặt trời và ánh sáng xung quanh. Nhưng vấn đề then chốt để nâng cao hiệu
quả DSC là hiểu rõ bản chất và kiểm soát
sự tập hợp các phân tử thuốc nhuộm trên bề mặt màng hạt nano titanium dioxide tạo
ra điện tích.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp được gọi là đồng nhạy
cảm, đây là phương pháp tiếp cận hóa học để chế tạo ra các DSC với 2 hoặc nhiều
lại thuốc nhuộm khác nhau, có khả năng hấp thụ thêm quang năng bổ sung.
Đồng nhạy cảm đã tăng cường hiệu suất chuyển đổi năng lượng
của DSC tới những giá trị kỷ lục thế giới. Có thể hình dung do phương pháp này kết
hợp những loại thuốc nhuộm sẵn có, hấp thụ quang năng từ toàn bộ dãy quang phổ
ánh sáng.
Nhưng quá trình đồng nhạy cảm không hiệu quả trong một số
trường hợp vì nỗ lực tìm ra các cặp thuốc nhuộm phù hợp, có thể đạt được hiệu
suất hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi điện năng cao đòi hỏi quá trình thiết kế, tổng
hợp và sàng lọc phân tử phải rất cẩn thận và chi tiết.
Các nhà khoa học của nhóm Grätzel và Anders Hagfeldt tại Viện
Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (EPFL) phát triển một giải pháp cải tiến việc đóng
gói cùng lúc 2 phân tử thuốc nhuộm cảm quang mới, được thiết kế để nâng cao hiệu
suất quang điện của DSC.
Gắn cùng 2 phân tử thuốc nhuộm khác nhau, các chất cảm quang
mới có thể thu thập lượng ánh sáng trên toàn bộ miền khả kiến. Kỹ thuật mới
liên quan đến việc hấp thụ trước một lớp dẫn xuất a axit hydroxamic trên bề mặt
tấm titanium dioxide trung tính tinh thể nano. Lớp dẫn cuất này làm chậm sự hấp
thụ 2 chất nhạy cảm ánh sáng, cho phép hình thành một lớp chất nhạy cảm có trật
tự và dày đặc trên bề mặt titanium dioxide.
Sử dụng phương thức tiếp cận này, lần đầu tiên nhóm nghiên cứu
phát triển được các tế bào DSC với hiệu suất chuyển đổi điện năng là 15,2% dưới
ánh sáng mặt trời mô phỏng toàn cầu tiêu chuẩn, độ ổn định hoạt động lâu dài được
thử nghiệm trong hơn 500 giờ. Tăng diện tích hoạt động của tế bào lên 2,8 cm2,
hiệu suất chuyển đổi năng lượng liên tục trong khoảng 28,4% - 30,2% với các cường
độ ánh sáng khác nhau xung quanh với độ ổn định vượt trội.
Nhóm tác giả nghiên cứu
viết: “Phát hiện của chúng tôi mở đường cho khả năng dễ dàng tiếp cận đến các
DSC hiệu suất cao và cho thấy những triển vọng đầy hứa hẹn cho những ứng dụng
thương mại như thay thế pin cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử công
suất thấp sử dụng ánh sáng xung quanh làm điện năng.”