Tạo ra những tấm pin mặt trời siêu mỏng đang là mục tiêu quan trọng lâu dài trong lĩnh vực khoa học vật liệu, thành quả đạt được sẽ giúp vô số công nghệ chuyển đổi sang các nguồn điện không dây tại chỗ, nâng cao hiệu quả ứng dụng, tính cơ động và tự do linh hoạt trong khai thác sử dụng.
Trong một nghiên cứu đột phá, được công bố trên tạp chí Advanced
Materials Technologies (Công nghệ Vật liệu Tiên tiến), nhóm các nhà khoa học của
giáo sư Derya Baran từ Đại học Khoa học & Công nghệ King Abdullah (KAUST) cho
biết đã phát triển thành công các tấm pin mặt trời mỏng và linh hoạt đến mức có
thể nhúng trên bề mặt của bong bóng xà phòng.
Eloïse Bihar, nghiên cứu viên sau tiến sĩ thuộc phòng thí
nghiệm của Baran, chủ nghiệm công trình nghiên cứu cho biết: “Sự phát triển mạnh
mẽ da điện tử cho robot, cảm biến cho các thiết bị bay và cảm biến sinh học phát
hiện bệnh tật hiện đều có những hạn chế về nguồn năng lượng”.
“Thay vì dùng pin điện
cồng kềnh hoặc kết nối với lưới điện, chúng tôi nghĩ đến việc sử dụng những tế bào
pin mặt trời hữu cơ nhẹ, siêu mỏng hấp thu năng lượng ánh sáng, dù ở trong nhà
hay ngoài trời”.
Vật liệu hữu cơ cho thấy nhiều triển vọng trong lĩnh vực này
và được sử dụng để tạo ra thế hệ thiết bị hấp thu năng lượng mặt trời siêu nhẹ cho
các ứng dụng quy mô nhỏ, như cung cấp năng lượng cho máy bay không người lái.
Nhưng kỹ thuật sản xuất hiện nay hạn chế tự do thiết kế và
khả năng của những trang thiết bị nhỏ này. Vì vậy, để chế tạo các tấm pin điện
quang học siêu mỏng và linh hoạt, các nhà nghiên cứu KAUST sử dụng phương pháp
in phun 3D, một kỹ thuật thông thường được sử dụng trong công nghiệp, có nhiều
ưu điểm hơn những kỹ thuật lắng đọng khác như tính linh hoạt cao, dễ điều chỉnh
và giá thành sản phẩm rẻ.
Mặc dù kỹ thuật In hiện nay có thể mở rộng quy mô sản xuất
và chế tạo các thiết bị phân lớp, như tấm pin mặt trời, nhưng còn nhiều thách
thức trong việc phát triển các loại mực thích hợp.
Tiến sĩ Daniel Corzo, thành viên trong nhóm khoa học của
Baran cho biết: “Chúng tôi đã phát triển những loại mực chức năng cho từng lớp
in của cấu trúc pin mặt trời. In phun trên thực tế là một ngành khoa học độc lập
và rất quan trọng”.
Để phun ra những giọt micro mực từ vòi phun rất nhỏ, cần phải
khắc phục lực tương tác phân tử lượng mực trong hộp mực. Dung môi đóng vai trò
rất quan trọng khi mực lắng đọng do tốc độ khô của mực in ảnh hưởng đến chất lượng
của tấm phim in pin điện mặt trời. ”
Để chế tạo những tấm pin mặt trời siêu mỏng và linh hoạt,
nhóm nghiên cứu sử dụng một loại polymer dẫn điện cao, được gọi là PEDOT: PSS kẹp
vật liệu hấp thụ ánh sáng trong màng pin mỏng.
Sau đó, thiết bị được niêm phong bằng lớp phủ bảo vệ
parylene, có tính dẻo cao nhằm ngăn ngừa sự xuống cấp đưới tác động độ ẩm hoặc
phân hủy hóa học, đồng thời cho phép thiết bị có độ tương thích sinh học cao để
sử dụng trong những trang thiết bị y tế.
Sau khi tối ưu hóa các thành phần mực cho mỗi lớp in của thiết
bị, các nhà khoa học in pin mặt trời lên kính để kiểm tra hiệu suất sản phẩm. Nhóm
nghiên cứu đạt được hiệu suất chuyển đổi điện năng (PCE) là 4,73% năng lượng
ánh sáng, vượt kỷ lục đạt được là 4,1 % trước đó cho một tế bào quang điện in đầy
đủ.
Lần đầu tiên, nhóm nghiên cứu cho biết đã có thể in một tế
bào quang điện lên chất nền linh hoạt siêu mỏng và đạt mức chuyển hóa năng lượng
PCE là 3,6%.
Bihar cho biết: “Phát hiện của chúng tôi là bước đột phá cho
một thế hệ pin mặt trời in siêu nhẹ đa năng mới có thể tìm được ứng dụng chế tạo
nguồn điện trong xây dựng hoặc được tích hợp vào những thiết bị y tế cấy ghép
trên da, chế tạo da nhân tạo cho robot đa năng.