Một tấm pin mặt trời trong suốt của nhóm nghiên cứu đại học Michigan

Chắc chắn sẽ không thiếu các công trình quy mô lớn, theo dự báo Freedonia Group. Đến năm 2023, nhu cầu kính phẳng toàn cầu dự báo sẽ đạt 11,9 tỷ m2, do hoạt động xây dựng các tòa nhà và những công trình sản xuất đang mở rộng trên toàn thế giới.

Xiaoxi He, nhà phân tích công nghệ tại IDTechEx ở Cambridge, Anh, mô tả nghiên cứu này là "phát minh thực sự sáng tạo". Những vẫn còn nhiều bước giữa cải tiến công nghệ trong phòng thí nghiệm để chế tạo thiết bị thương mại và và sản xuất hàng loạt cửa sổ năng lượng mặt trời.

Các tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ sử dụng những hợp chất trên cơ sở cacbon của vật liệu bán dẫn, được in bằng mực hoặc được phủ thành các lớp siêu mỏng lên lớp nền nhựa trong suốt. Những vật liệu này hấp thụ các photon trong vùng hồng ngoại gần của quang phổ ánh sáng, chiếm phần lớn năng lượng ánh sáng mặt trời. Những tế bào năng lượng mặt trời thông thường sử dụng chất bán dẫn silicon có thể thu được nhiều photon hơn, hiệu quả cao hơn trong chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Nhưng những tế bào silicon dày hơn và mờ đục, không phù hợp cho cửa sổ hoặc kính tòa nhà.

Ban đầu, nhóm nhà khoa học của Yongxi Li thiết kế một pin mặt trời hữu cơ với "chất hấp thụ không fullerene (phân tử cacbon hình cầu)". Những vật chất đó nằm trong các phân tử chuyển điện tử do ánh sáng tạo ra đến các điện cực. Sử dụng điện cực làm bằng oxit thiếc indium, các nhà nghiên cứu tạo được pin mặt trời trung tính màu với hiệu suất 8,1%, một kỷ lục đối với thiết kế pin mặt trời hữu cơ. Hoán đổi điện cực bằng oxit bạc làm tăng hiệu suất của tế bào lên 10,1%, nhưng phiên bản này có màu xanh lục không mong muốn.

Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng, hiệu quả kỷ lục này không duy trì được lâu. Ông Li cho biết, những chất hấp thụ không fullerene có các liên kết yếu, dễ phân ly dưới ánh sáng cực tím hoặc các bức xạ năng lượng cao khác. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy, hiệu suất của tế bào hữu cơ giảm xuống dưới 40% giá trị ban đầu trong vòng 12 tuần, khi được chiếu bằng sáng mặt trời.

Nhóm nghiên cứu bao gồm các kỹ sư tại Đại học Bang North Carolina ở Raleigh, Đại học Thiên Tân và Đại học Chiết Giang ở Trung Quốc đã ứng dụng nhiều giải pháp khác nhau để giải quyết khó khăn này.

Để ngăn chặn tia cực tím có hại và giữ cho liên kết vật liệu không bị phá vỡ, các kỹ sư thêm một lớp kẽm oxit đơn giản, thành phần phổ biến trong kem chống nắng và thuốc mỡ chống hăm tã lên mặt trên của pin mặt trời đối diện với ánh sáng mặt trời.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu xác định, hầu hết sự suy giảm của pin mặt trời xảy ra trên bề mặt phân cách giữa vật liệu hữu cơ và vô cơ. Thêm các "lớp đệm" siêu mỏng vật liệu gốc carbon, các nhà khoa học ngăn chặn được những biến đổi hóa học và cải thiện độ ổn định của pin.

Sau đó, các thiết bị pin mặt trời diện tích nhỏ, kích thước khoảng 0,1 cm2 được chiếu xạ ở các mức độ ánh sáng khác nhau. Thông thường, trên mỗi m2 bề mặt Trái đất có gần 1.000 watt năng lượng mặt trời. Trong quang phổ tiêu chuẩn, độ chiếu sáng của một mặt trời được xác định là bức xạ 100 milliwatt / cm 2 .

Nhóm kỹ sư chiếu xạ pin bằng ánh sáng mặt trời trong 1900 giờ, tăng lượng ánh sáng mặt trời lên 27 lần với nhiệt độ tới 65°C, tế bào vẫn duy trì được 94% hiệu suất ban đầu.

Căn cứ vào kết quả các thí nghiệm, các nhà nghiên cứu ngoại suy rằng, pin mặt trời sẽ hoạt động hiệu quả với hiệu suất 80% sau 30 năm. Các pin mặt trời silicon thông thường dự kiến ​​sẽ hoạt động hiệu quả từ 25 đến 30 năm.

Ông Li cho biết, nhóm nghiên cứu tại Michigan đang phát triển một cửa sổ năng lượng mặt trời "mini" rộng 15 cm vuông để thử nghiệm, xác định các lớp bảo vệ và lớp đệm có thể giữ cho vật liệu không bị suy thoái ở quy mô lớn hơn hay không. Khó khăn chính là khi lớp pin mặt trời hoạt động với diện tích càng rồng thì càng có nhiều khả năng xuất hiện các khuyết tật. Ông nói: “Chúng tôi cần xác định phương pháp tạo ra một diện tích pin đồng đều.

Xiaoxi He, nhà phân tích của IDTechEx cho rằng, ngoài pin mặt trời, thực tế có nhiều yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến mức độ hoạt động của một cửa sổ năng lượng mặt trời, đồng thời cửa sổ pin mặt trời có thể sản xuất đủ điện để bù đắp chi phí cho các nhà phát triển và để vận hành tòa nhà hay không? Vị trí địa lý của tòa nhà và lượng tài nguyên năng lượng mặt trời tại địa phương, góc bị chiếu của cửa sổ, chiều cao của tòa nhà và thiết kế tổng thể tòa nhà đều có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của hệ thống pin năng lượng mặt trời.

"Khi thấy một phát triển hoàn toàn mới về công nghệ, điều đó thực sự phấn khích", bà nói. "Nhưng từ phòng thí nghiệm đến áp dụng thực tế cho các ứng dụng thương mại lớn, thường có rất nhiều vấn đề khác nhau, từ khả năng thị trường hóa công nghệ đến hiệu quả đầu từ và thực tế khai thác sử dụng. Sẽ cần nhiều năm, nhiều thử nghiệm để chứng minh tính thực tế của công nghệ này".