Một nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học tại Đại học Linköping, Thụy Điển dẫn đầu đã phát hiện được, điều gì xảy ra trong quá trình phân hạch đơn và năng lượng bị mất đi đâu. Kết quả công trình này được công bố trên tạp chí Cell Reports Physical Science.

Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng bền vững không hóa thạch và thân thiện với môi trường quan trọng nhất. Các tế bào năng lượng mặt trời, phát triển trên cơ sở silicon hiện đang được sử dụng nhiều nhất, có thể hấp thụ khoảng 33% năng lượng trong ánh sáng mặt trời và chuyển thành điện năng.

Thực tế này do các gói ánh sáng, hoặc photon trong chùm sáng mặt trời có năng lượng quá thấp hoặc quá cao khiến pin mặt trời không hấp thụ được, một phần năng lượng bị tiêu tán và thải nhiệt. Hiệu suất lý thuyết tối đa này được gọi là giới hạn Shockley-Queisser. Trong ứng dụng thực tế, hiệu suất của pin mặt trời hiện đại là 20-25% năng lượng mặt trời.

Một hiện tượng trong quang lý học phân tử được gọi là sự phân hạch đơn có thể cho phép các photon có năng lượng cao hơn được pin mặt trời sử dụng và chuyển đổi thành điện năng mà không bị mất trong tỏa nhiệt.

Phân hạch đơn là một quá trình cho phép spin, duy nhất đối với quang vật lý phân tử, theo đó một trạng thái kích thích đơn được chuyển thành hai trạng thái ba. spin số lượng tử s = 1, có ba giá trị được phép của thành phần spin, bằng  -1, 0 và +1. 

Trong những năm gần đây, tính chất thú vị của sự phân hạch đơn ngày càng thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học, các công trình nghiên cữu đanng được thúc đẩy mạnh mẽ để phát triển vật liệu tối ưu cho pin mặt trời.

Nhưng sự thất thoát năng lượng không giải thích được trong quá trình phân hạch đơn gây khó khăn cho việc thiết kế và phát triển một loại vật liệu tối ưu như vậy. Các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể xác định được nguồn gốc của sự tổn thất năng lượng này.

Hiện nay, các nhà khoa học tại Đại học Linköping, phối hợp với các đồng nghiệp ở Cambridge, Oxford, Donostia và Barcelona đã phát hiện ra, năng lượng biến đi đâu trong quá trình phân hạch đơn.

"Quá trình phân hạch đơn diễn ra trong chưa đầy một nano giây và khoảng thời gian vô cùng ngắn ngủi này khiến việc đo lường cực kỳ khó khăn. Khám phá của chúng tôi cho phép mở được hộp đen và xác định, năng lượng đi đâu trong quá trình phản ứng. Giải quyết vấn đề này, chúng ta có thể tối ưu hóa vật liệu để nâng cao hiệu suất của các tế bào pin mặt trời”. Yuttapoom Puttisong, giảng viên cao cấp tại Khoa Vật lý, Hóa học và Sinh học thuộc Đại học Linköping, cho biết.

Một phần năng lượng biến mất dưới dạng trạng thái lóe sáng trung gian, đây là một vấn đề quan trọng cần phải giải quyết để đạt được hiệu quả trong phân hạch đơn. Việc phát hiện ra cách năng lượng bị tiêu hao là một cột mốc quan trọng trong quá trình tìm kiếm khả năng nâng cao hiệu suất pin mặt trời – có thể từ 33% lý thuyết lên hơn 40%.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp thanh lọc thoáng hiện từ - quang để xác định vị trí mất năng lượng. Kỹ thuật này có những ưu điểm độc đáo, có thể kiểm tra 'dấu vết' phản ứng phân hạch đơn ở tỷ lệ thời gian nano giây. Một nano giây là một phần tỷ của giây.

 Diphenyl hexatriene (DPH) được sử dụng làm vật liệu phân hạch đơn trong nghiên cứu. Ảnh: Thor Balkhed

Các nhà khoa học đã sử dụng một tinh thể đơn nghiêng của polyene, diphenyl hexatriene (DPH) trong nghiên cứu này. Nhưng kỹ thuật mới này cho phép nghiên cứu sự phân hạch đơn trong rất nhiều loại vật liệu khác.

Yuqing Huang, cựu nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Vật lý, Hóa học và Sinh học tại Đại học Linköping, tác giả của báo cáo khoa học hiện đã được xuất bản trên một tạp chí mới thành lập Cell Reports Physical Science:

"Quá trình phân hạch đơn thực tế diễn ra trong vật liệu kết tinh. Nếu chúng ta có thể tối ưu hóa vật liệu này nhằm giữ lại càng nhiều năng lượng từ phân hạch đơn, chúng ta càng tiến gần hơn đến ứng dụng trong thực tế. Ngoài ra, vật liệu phân hạch đơn là giải pháp có thể xử lý bằng dung dịch, sản xuất rẻ hơn và thuận lợi tích hợp với công nghệ pin mặt trời hiện có ".

Công trình Nghiên cứu được Hội đồng Nghiên cứu Thụy Điển và Quỹ Knut và Alice Wallenberg tài trợ.