Ngành công nghiệp năng lượng mặt trời toàn cầu đang trải qua giai đoạn tái cấu trúc khốc liệt nhất trong vòng một thập kỷ qua. Cơn sốt đầu tư ồ ạt đã tạo ra một bong bóng công suất khổng lồ, khiến giá thành các tấm pin silicon truyền thống lao dốc không phanh xuống dưới chi phí sản xuất thực tế. Nhiều tập đoàn quang điện lớn liên tục báo cáo các khoản lỗ kỷ lục, trong khi hàng loạt doanh nghiệp lắp đặt quy mô nhỏ tại Mỹ và châu Âu phải nộp đơn xin bảo hộ phá sản. Thế giới bắt đầu quan ngại sâu sắc về một kịch bản sụp đổ diện rộng của ngành năng lượng xanh vốn phụ thuộc quá nhiều vào trợ cấp.
Trong thế kẹt này, lối thoát duy nhất của ngành không còn nằm ở việc chạy đua hạ giá thành silicon, mà phải là một cuộc cách mạng triệt để về mặt vật liệu. Nhân loại cần những tấm pin có hiệu suất vượt qua giới hạn vật lý của silicon, đồng thời sở hữu tính linh hoạt cao để tích hợp vào cuộc sống thay vì những tấm bảng đen nặng nề, chiếm dụng quá nhiều diện tích đất canh tác.
Cấu trúc "song bản" siêu mỏng
Đáp ứng kỳ vọng đó, nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí danh giá Nature của các nhà khoa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) đã mở ra một hướng đi đầy triển vọng. Nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công dòng pin mặt trời song bản lai giữa vật liệu hữu cơ và cấu trúc tinh thể nhân tạo perovskite. Khác với pin silicon đơn lớp truyền thống, cấu trúc song bản xếp chồng hai lớp hấp thụ ánh sáng bổ trợ cho nhau để tận dụng tối đa dải quang phổ mặt trời.
Cụ thể, lớp perovskite phía trên được thiết kế để giữ lại các tia sáng có năng lượng cao như tia cực tím, trong khi lớp hữu cơ phía dưới chịu trách nhiệm thu hoạch dải ánh sáng cận hồng ngoại. Sự phân vai ăn ý này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất hấp thụ mà còn tạo ra một cơ chế bảo vệ kép hoàn hảo cho thiết bị. Lớp perovskite phía trên đóng vai trò làm lá chắn ngăn chặn các tia cực tím độc hại có thể làm suy biến màng hữu cơ bên dưới, ngược lại lớp hữu cơ chống nước bên dưới lại che chở cho lớp perovskite cực kỳ nhạy cảm với độ ẩm.
Điểm vượt trội của công nghệ lai này còn nằm ở đặc tính vật lý khi chúng siêu mỏng, dẻo dai và có khả năng chế tạo trực tiếp ở nhiệt độ thấp. Chúng có thể được in giống như cách người ta in mực lên giấy, mở ra triển vọng sản xuất hàng loạt với mức chi phí năng lượng và tài chính thấp hơn rất nhiều lần so với quy trình nung chảy silicon phức tạp hiện nay.
Phân tử TDB và lời giải cho bài toán phân tách hóa học
Mặc dù sở hữu những tiềm năng to lớn, pin mặt trời lai hữu cơ - perovskite trong nhiều năm qua vẫn chưa thể thương mại hóa do một lỗi chí tử liên quan đến độ bền vật liệu. Để hấp thụ được dải màu ánh sáng tối ưu, màng perovskite buộc phải pha trộn các ion halogen khác nhau, đặc biệt là iodide và bromide. Tuy nhiên, các ion này hoạt động rất kém ổn định, dễ dàng phân tách hóa học và di chuyển tự do dưới tác động kéo dài của ánh sáng mặt trời, tạo ra các khuyết tật siêu nhỏ khiến pin suy giảm hiệu năng nhanh chóng.
Để hóa giải nút thắt kỹ thuật này, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Meng Lei dẫn đầu đã phát minh ra một loại phân tử phụ gia thông minh mang tên TDB. Phân tử này đóng vai trò là một chất ổn định hai giai đoạn vô cùng linh hoạt trong suốt vòng đời hoạt động của tấm pin mặt trời. Ở giai đoạn sản xuất đầu tiên, TDB tham gia điều phối động học kết tinh, giúp các ion halogen phân bố đồng đều tuyệt đối khi màng mỏng hình thành.
Bước đột phá thực sự diễn ra ở giai đoạn thứ hai, khi tấm pin bắt đầu tiếp xúc và vận hành dưới ánh nắng mặt trời ngoài thực địa. Chính năng lượng của ánh sáng tự nhiên sẽ kích hoạt các phân tử TDB tại các ranh giới siêu nhỏ của vật liệu tự biến đổi cấu trúc hóa học, liên kết chặt chẽ vào bề mặt để khóa chặt các ion halogen lại. Sự xuất hiện của phân tử thông minh TDB tự biến đổi dưới ánh sáng để ngăn chặn hiện tượng di chuyển ion và nâng hiệu suất ổn định của pin song bản lên mức kỷ lục 28,04% chính là câu trả lời triệt để cho bài toán độ bền.
Tái định hình tương lai năng lượng từ mặt đất lên vũ trụ
Theo Viện sĩ Li Yongfang, thành viên cốt cán của nhóm nghiên cứu, công nghệ siêu nhẹ và dẻo này sẽ thúc đẩy nhanh chóng tiến trình chuyển dịch năng lượng toàn cầu nhờ khả năng ứng dụng vô hạn. Trong môi trường đô thị, các tấm pin mỏng nhẹ và trong suốt có thể dán trực tiếp lên kính của các tòa nhà cao tầng để tự phát điện mà không làm ảnh hưởng đến thiết kế kiến trúc. Đối với đời sống hàng ngày, chúng dễ dàng được tích hợp vào balo, quần áo thông minh hoặc các thiết bị di động như flycam để duy trì nguồn năng lượng liên tục.
Bên cạnh đó, các ứng dụng công nghệ cao cũng sẽ được hưởng lợi lớn từ phát kiến này nhờ trọng lượng siêu nhẹ giúp giảm thiểu tối đa chi phí vận chuyển. Dòng pin dẻo thế hệ mới hứa hẹn sẽ là nguồn cấp điện lý tưởng cho các vệ tinh quỹ đạo, trạm vũ trụ và các tàu thám hiểm không gian sâu trong tương lai gần.
Thùy Anh (Theo ChinaDaily)
