Độc đáo tấm pin năng lượng mặt trời 2 trong 1

Các nhà khoa học Đức đã sáng tạo ra một loại pin năng lượng mặt trời hoàn toàn làm từ vật liệu hữu cơ có thể hấp thụ ánh sáng mặt trời và lưu trữ năng lượng trong hơn 2 ngày, do đó kết hợp các chức năng của một tấm quang điện và một cục pin thành một thiết bị 2-trong-1 nhẹ mà hiệu quả.

Nhóm nghiên cứu – gồm các nhà nghiên cứu từ Đại học Kỹ thuật Munich (TUM), Viện Nghiên cứu Max Planck và Đại học Stuttgart ở Đức – đã phát triển pin năng lượng mặt trời dựa trên một khung hữu cơ cộng hóa trị hai chiều (COF) có độ xốp cao được làm từ hợp chất hữu cơ naphthalenediimide.

Không giống như các hệ thống thông thường dựa vào kim loại hoặc các nguyên tố hiếm, thiết bị cải tiến 2 trong 1 này chỉ sử dụng các thành phần hữu cơ và nước, cung cấp một giải pháp bền vững cho việc lưu trữ năng lượng ngoài lưới điện.

Loại vật liệu này được cho là hoạt động như một bể chứa năng lượng mặt trời, thu năng lượng vào ban ngày và giải phóng năng lượng dưới dạng điện trong thời gian dài sau khi mặt trời lặn.

Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học kết hợp thành công việc thu năng lượng mặt trời và lưu trữ năng lượng dài hạn trong một khuôn khổ phân tử duy nhất.

Ảnh minh hoạ.

Theo nhóm nghiên cứu, COF không chỉ hấp thụ ánh sáng mà còn ổn định các điện tích do ánh sáng tạo ra trong môi trường nước, giữ chúng trong 48 giờ hoặc lâu hơn, đánh dấu một kỷ lục cho loại vật liệu này.

Ngoài ra, các điện tích được lưu trữ không chỉ được bảo quản mà còn có thể được xả chủ động để cung cấp năng lượng cho các thiết bị bên ngoài, xác nhận khả năng lưu trữ năng lượng thực tế của vật liệu.

"Vật liệu này có chức năng kép và hoạt động như một chất hấp thụ năng lượng mặt trời và một bể chứa điện tích dài hạn", Tiến sĩ Bibhuti Bhusan Rath tại Viện nghiên cứu Max Planck, và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

"Hiệu suất của nó vượt trội hơn nhiều vật liệu quang điện tử hiện có – và nó làm được như vậy mà không cần dựa vào kim loại hoặc các nguyên tố hiếm".

Bằng cách kết hợp các kỹ thuật quang học, điện hóa và tính toán tiên tiến, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng nước đóng một vai trò bất ngờ nhưng quan trọng trong việc ổn định các điện tích bị giữ lại.

Thay vì tương tác mạnh với các ion hoặc phá vỡ khả năng giữ điện tích, các phân tử nước đã tương tác tinh vi với COF để tạo thành một rào cản năng lượng. Điều này ngăn chặn sự kết hợp lại điện tích và cho phép năng lượng được bảo toàn để sử dụng sau này.

Vật liệu này chứng minh khả năng lưu trữ điện tích là 38 mAh/g (miliampe-giờ trên một gam khối lượng), vượt trội hơn các vật liệu phản ứng với ánh sáng như cacbon nitrua, chất bán dẫn polyme và khung kim loại hữu cơ.

"Điểm hấp dẫn của hệ thống này nằm ở sự đơn giản và mạnh mẽ của nó", Tiến sĩ Frank Ortmann, một chuyên gia về quang phổ lý thuyết tại TUM và là một trong những tác giả của nghiên cứu, tuyên bố.

"Nó lưu trữ các điện tích do ánh sáng tạo ra ở trạng thái ổn định, xuất phát từ sự tương tác độc đáo giữa thiết kế phân tử, kiến trúc khung và môi trường, và giải phóng chúng khi cần thiết".

Các thử nghiệm bổ sung đã xác nhận độ ổn định chu kỳ tuyệt vời của vật liệu, giữ lại hơn 90% dung lượng sau nhiều chu kỳ sạc-xả. Hiệu suất đó định vị COF là ứng cử viên đầy hứa hẹn cho việc lưu trữ năng lượng mặt trời tích hợp, đặc biệt là khi trọng lượng, tính bền vững và tình trạng khan hiếm vật liệu là những mối quan tâm hàng đầu.

Tiến sĩ Bettina Lotsch, chuyên gia về hóa học nano và là người đứng đầu Viện nghiên cứu trạng thái rắn Max Planck, nhấn mạnh rằng những phát hiện này làm nổi bật tiềm năng chưa được khai thác của các khung hữu cơ có thể được tinh chỉnh để lưu trữ năng lượng hiệu suất cao.

Minh Đức (Theo Interesting Engineering, Notebook Check)

Tham khảo thêm

Tham khảo thêm

Khi gã khổng lồ xe điện không còn chỉ sản xuất xe điện

Tham khảo thêm

Đột phá với tấm pin năng lượng mặt trời làm từ vật liệu không ngờ