Pin mặt trời perovskite siêu mỏng: Bước đột phá biến mọi ô kính thành nhà máy điện mini

Hãy tưởng tượng những tòa nhà chọc trời tại các siêu đô thị không còn là những khối bê tông và kính tiêu thụ điện năng khổng lồ, mà bản thân chúng lại chính là những nhà máy phát điện tự vận hành. Viễn cảnh này đang tiến gần hơn tới thực tế nhờ một phát minh mang tính đột phá từ Singapore: loại pin mặt trời siêu mỏng, có thể tích hợp trực tiếp lên các bề mặt kính thông thường.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Nanyang (NTU Singapore) vừa công bố việc chế tạo thành công các tế bào quang điện perovskite siêu mỏng. Với độ dày mỏng hơn khoảng 10.000 lần so với một sợi tóc người, phát kiến này được kỳ vọng sẽ định hình lại cách chúng ta thiết kế đô thị xanh và khai thác năng lượng tái tạo trong tương lai gần.

Perovskite - Kỷ nguyên mới của năng lượng mặt trời thế hệ tiếp theo

Trong nhiều thập kỷ qua, silicon luôn là vật liệu thống trị ngành công nghiệp quang điện. Tuy nhiên, pin mặt trời silicon truyền thống có nhược điểm lớn là nặng, đục ngầu, đòi hỏi diện tích lắp đặt lớn (thường là trên mái nhà) và quy trình sản xuất tiêu tốn nhiều năng lượng. Điều này khiến việc tích hợp chúng vào các không gian đô thị chật hẹp trở nên vô cùng khó khăn.

Sự trỗi dậy của perovskite – một nhóm vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc biệt – đã mở ra một lối đi mới. Perovskite nổi tiếng với khả năng hấp thụ ánh sáng cực tốt, linh hoạt trong chế tạo và chi phí nguyên liệu rẻ hơn đáng kể so với silicon tinh thể. Nghiên cứu của NTU đã đẩy giới hạn của vật liệu này lên một tầm cao mới bằng cách tạo ra các tế bào quang điện gần như vô hình, có khả năng cho ánh sáng đi qua mà vẫn sản sinh ra dòng điện.

Phó giáo sư Annalisa Bruno cùng các đồng nghiệp tại NTU đã thiết kế các tế bào quang điện bán trong suốt và hoàn toàn không màu. Đặc tính này giải quyết được rào cản lớn nhất của các thế hệ pin mặt trời trước đây: tính thẩm mỹ. Đối với các kiến trúc sư và nhà phát triển bất động sản, việc duy trì độ trong suốt của kính văn phòng trong khi vẫn đảm bảo hiệu năng tiết kiệm năng lượng là một ưu tiên hàng đầu.

Hiệu suất ấn tượng từ cấu trúc siêu mỏng 10 nanomet

Để đạt được độ mỏng kinh ngạc chỉ khoảng 10 nanomet, nhóm nghiên cứu tại NTU đã áp dụng phương pháp bay hơi nhiệt trong buồng chân không cao. Phương pháp vật lý này cho phép kiểm soát độ dày của màng perovskite ở cấp độ nguyên tử, đảm bảo màng phủ đồng nhất tuyệt đối trên các bề mặt có diện tích lớn.

Đáng chú ý, quy trình này hoàn toàn loại bỏ việc sử dụng các dung môi hóa học độc hại thường thấy trong các phương pháp chế tạo pin mặt trời perovskite dạng lỏng truyền thống. Đây là một điểm cộng lớn giúp đơn giản hóa việc nâng cấp quy trình lên quy mô công nghiệp và thân thiện hơn với môi trường.

Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng, công nghệ này có thể được tùy biến thành hai phiên bản:

• Phiên bản mờ đục (Opaque): Đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ 12%, phù hợp cho các mảng tường hoặc bề mặt không cần xuyên sáng.
• Phiên bản bán trong suốt (Semi-transparent): Cho phép 41% ánh sáng tự nhiên đi qua (tương đương với độ xuyên sáng của kính râm hoặc kính tòa nhà văn phòng cao cấp) và đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng ấn tượng là 7,6% – mức cao nhất từng được ghi nhận đối với phân khúc pin quang điện perovskite siêu mỏng trong suốt.

Giải bài toán năng lượng cho các siêu đô thị đông đúc

Một trong những điểm yếu lớn nhất của pin mặt trời silicon truyền thống là hiệu suất sụt giảm nghiêm trọng khi không có ánh sáng mặt trời trực tiếp chiếu vào. Tại các siêu đô thị có mật độ xây dựng cao như Singapore, Hong Kong hay New York, các tòa nhà chọc trời san sát nhau thường xuyên đổ bóng, che khuất ánh nắng trực tiếp.

Tế bào perovskite siêu mỏng của NTU giải quyết triệt để vấn đề này nhờ khả năng hoạt động hiệu quả ngay cả trong điều kiện ánh sáng gián tiếp hoặc ánh sáng tán xạ. Điều này có nghĩa là ngay cả vào những ngày âm u, hoặc ở những góc khuất của tòa nhà không tiếp xúc trực tiếp với mặt trời, các ô cửa kính thông minh vẫn liên tục sản sinh ra điện năng.

Ứng dụng của công nghệ này không chỉ giới hạn ở các tòa nhà. Ngành công nghiệp ô tô điện (EV) cũng đang hướng tới việc tích hợp pin mặt trời lên kính chắn gió và cửa sổ trời để kéo dài quãng đường di chuyển của xe mà không làm thay đổi thiết kế ngoại thất. Bên cạnh đó, các thiết bị điện tử tiêu dùng như màn hình điện thoại, máy tính bảng hay đồng hồ thông minh cũng có thể tự sạc pin khi tiếp xúc với ánh sáng văn phòng.

Thách thức thương mại hóa và những bước đi tiếp theo

Mặc dù kết quả nghiên cứu bước đầu vô cùng hứa hẹn, con đường đưa công nghệ này từ phòng thí nghiệm ra thị trường vẫn còn những rào cản nhất định cần vượt qua.

Nhận định về bước tiến này, Giáo sư Sam Stranks từ Đại học Cambridge (Anh) – một chuyên gia độc lập trong ngành – đánh giá cao phương pháp sản xuất khô không dùng dung môi của NTU vì nó giúp rút ngắn đáng kể khoảng cách đến sản xuất quy mô lớn. Tuy nhiên, ông cũng nhấn mạnh rằng nhóm nghiên cứu cần phải chứng minh được độ bền cơ học và tính ổn định hóa học lâu dài của màng perovskite siêu mỏng dưới các tác động khắc nghiệt của thời tiết (như tia cực tím, độ ẩm cao và sự thay đổi nhiệt độ liên tục) trước khi tiến hành thương mại hóa.

Hiện tại, nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Nanyang đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ độc quyền này. Họ đang tích cực hợp tác với các doanh nghiệp công nghệ và tập đoàn vật liệu xây dựng lớn để tối ưu hóa quy trình chế tạo, tăng kích thước tấm pin và thử nghiệm độ bền thực tế ngoài trời.

Khi các quốc gia trên thế giới đang chạy đua hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng không (Net Zero), những phát kiến mang tính đột phá và thực tế như pin mặt trời trong suốt của NTU sẽ là chìa khóa vàng để biến các thành phố tương lai thành những hệ sinh thái năng lượng tự chủ và bền vững.