Giới thiệu chung về Tấm pin mặt trời hữu cơ

Với sự phát triển của khoa học những tấm pin mặt trời ngày càng đạt được hiệu suất cũng như tuổi thọ cao hơn. Tuy nhiên do sử dụng bằng vật liệu bán dẫn là Silicon nên những tấm pin này vẫn còn hạn chế về một số mặt. Vì thế, những tấm pin năng lượng năng lượng mặt trời hữu cơ được ra đời để giải quyết những vấn đề tồn đọng đó. Vậy pin mặt trời hữu cơ là gì ? Nguyên lý hoạt động và ưu nhược điểm như thế nào ? Nội dung trong phần sau bài viết sẽ làm rõ về vấn đề này.

A. Tổng quan về pin mặt trời hữu cơ

Theo như tên gọi của mình, pin mặt trời hữu cơ là loại pin không dùng chất bán dẫn như Silicon mà thay vào đó là sử dụng các chất hữu cơ hay còn gọi là Polyme để sản xuất. Chất hữu cơ ở đây không phải là dạng vật chất sống hay tế bào mà là chất hữu cơ theo công thức hóa học và được. Polyme hóa (quá trình nối dài, liên kết các chất hữu cơ). Ví dụ như dầu mỏ, ny-long hay cao su là những chất hữu cơ thường gặp trong cuộc sống, tất nhiên chất hữu cơ để tạo ra pin hữu cơ sẽ có tính chất khác các loại hữu cơ kể trên.

Bằng sự phát triển của công nghệ, hiệu suất của pin hữu cơ ngày càng được cải thiện. Điển hình là vào năm 2015 hiệu suất của pin là hơn 10% nhưng đến năm 2018 thì hiệu suất đã tăng lên đến 17,3%. Và trong những năm gần đây hiệu suất của những tấm pin này đã lên tới 20% trong môi trường thử nghiệm.

Vào năm 2016 giáo sư Nguyễn Thục Quyên cùng các đồng nghiệp của mình đã nghiên cứu đưa ra cách sản xuất pin hữu cơ mới. Bằng cách này những pin hữu cơ này sẽ có kích thước rất nhỏ phù hợp với những thiết bị như đồng hồ hay điện thoại. Không chỉ thế những tấm pin này có hiệu suất và độ bền cao hơn đáng kể so với thế hệ cũ.

Giáo sư Nguyễn Thục Quyên đã từng chia sẻ: “Mục tiêu của tôi là thiết lập cách các cấu trúc phân tử và các phương pháp xử lý để có thể đưa một cách hợp lý (vật liệu hữu cơ) vào ứng dụng như các transistor, pin mặt trời và đèn LED. Nhìn từ góc độ tổng thể, các nghiên cứu (về vật liệu bán dẫn hữu cơ) đã góp phần giải quyết những vấn đề cơ bản liên quan đến các công nghệ dựa trên chất bán dẫn hữu cơ để có thể tạo ra năng lượng và duy trì năng lượng”.

Qua lời chia sẻ của giáo sư, ai cũng có thể thấy rằng pin hữu cơ sẽ là một hướng đi mới, một giải pháp năng lượng mới, cuộc cách mạng cho ngành điện mặt trời trong tương lai của nhân loại.

B. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời hữu cơ

Trước khi tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của pin hữu cơ trước hết phải biết về cấu tạo của chúng. Đầu tiên khi nói về pin hữu cơ chính là phần bán dẫn hữu cơ dùng để hấp thụ năng lượng mặt trời. Phần bán dẫn hữu cơ này hoạt động cũng gần giống như bán dẫn thường khi ở trạng thái bình thường sẽ cách điện còn khi được kích thích bằng điện hoặc ánh sáng thì vật liệu sẽ dẫn điện. Tuy nhiên, sự khác biệt chính là cấu tạo bên trong của chúng khi bán dẫn hữu cơ được tạo thành từ các nguyên tử Cacbon và Hydro liên hóa học với nhau. Bằng cách Polyme hóa chất hữu cơ chứa các nguyên tử Cacbon và Hydro này các nhà khoa học đã tạo ra được vật liệu bán dẫn hữu cơ dưới dạng tinh thể hoặc màng mỏng vô định hình.

Bên trong chất bán dẫn hữu cơ sẽ có hai phần chính là HOMO (highest occupied molecular orbital) và LUMO (lowest unoccupied molecular orbital), điểm phân cách giữa hai phần này chính là vùng cấm. Bằng cách kích thích các electron trong chất bán dẫn hữu cơ bằng ánh sáng mặt trời, khi năng lượng ánh sáng đủ lớn hơn hoặc bằng vùng cấm thì các electron sẽ được kích thích để đủ năng lượng để vượt qua vùng này. Khi đó bán dẫn hữu cơ sẽ trở thành một tấm pin mặt trời đúng nghĩa.

Tuy nhiên, mọi chuyện không dễ dàng như vậy khi mà bán dẫn hữu cơ khi tách thành lỗ trống và electron rất dễ tái hợp lại với nhau. Lý do ở đây là do nhiệt độ phân ly điện tử của bán dẫn hữu cơ thường lớn hơn nhiệt độ bình thường. Do đó các nhà khoa học đã tạo ra vật liệu bán dẫn hữu cơ với tính chất khác nhau để khi ghép lại sẽ có một bên cho và một bên nhận. Vật liệu cho điện sẽ là Donor với HOMO và LUMO cao hơn trong khi đó vật liệu nhận là Acceptor sẽ có HOMO và LUMO thấp hơn.

Donor sẽ là bên nhận ánh sáng mặt trời chiếu vào, với HOMO và LUMO cao hơn, Donor sẽ dễ dàng sinh ra điện tử đế tuyền qua mặt tiếp giáp đến Acceptor. Sau đó electron sẽ được truyển đến các điện cực và đưa ra bên ngoài.

C. Ưu và nhược điểm của pin năng lượng mặt trời hữu cơ

* Ưu điểm:

– Bằng việc sử dụng bán dẫn hữu cơ với mức độ nano, các tấm pin hữu cơ sẽ rất mỏng, nhẹ. Mỏng và nhẹ hơn rất nhiều lần so với tấm pin mặt trời truyền thống.

– Dễ dàng lắp đặt.

– Với tính chất gần như trong suốt, các tấm pin dễ dàng được sử dụng làm cửa sổ cho các tòa nhà.

– Bên cạnh đó là thân thiện với môi trường khi việc chế tạo các tấm pin này rất đơn giản cũng như tốn rất ít tài nguyên.

– Do nguyên liệu dễ kiếm và phương pháp sản xuất đơn giản khiến cho giá thành của loại pin này rẻ hơn rất nhiều so với pin truyền thống.

– Vì giá thành rẻ trong việc sản xuất nên việc hòa vốn sẽ diễn ra trong thời gian rất ngắn.

– Ngoài ra, các tấm pin này sẽ linh hoạt tương thích với nhiều hệ năng lượng.

* Nhược điểm:

– Nhược điểm lớn nhất của pin hữu cơ đó chính là hiệu suất, khi mà hiệu suất của pin vẫn thấp hơn nhiều so với tấm pin truyền thống.

– Bên cạnh đó là độ bền khi pin hữu cơ rất dễ giảm tuổi thọ trong quá trình sử dụng vì các yếu tố môi trường.

D. Kết luận

Như vậy có thể thấy, pin năng lượng mặt trời hữu cơ với những ưu điểm kê trên sẽ là một hướng đi mới, một cuộc cách mạng khi mà tính di dộng, nhỏ gọn đang là xu hướng của thế giới. Đến một ngày nào đó khi mà công nghệ đủ phát triển để khắc phục các nhược điểm của pin hữu cơ thì kỷ nguyên mới của năng lượng mặt trời sẽ được mở ra.

(Tham khảo từ nhiều nguồn)