Pin mặt trời siêu mỏng trong công nghệ năng lượng không dây

Trong một nghiên cứu đột phá, được công bố trên Tạp chí Advanced Materials Technologies (Công nghệ Vật liệu Tiên tiến), nhóm các nhà khoa học của GS Derya Baran từ Đại học Khoa học & Công nghệ King Abdullah (KAUST) cho biết đã phát triển thành công các tấm pin mặt trời mỏng và linh hoạt đến mức có thể nhúng trên bề mặt của bong bóng xà phòng.

Eloïse Bihar, nghiên cứu viên sau tiến sĩ thuộc Phòng thí nghiệm của Baran, chủ nhiệm công trình nghiên cứu cho biết, sự phát triển mạnh mẽ da điện tử cho robot, cảm biến cho các thiết bị bay và cảm biến sinh học phát hiện bệnh tật hiện đều có những hạn chế về nguồn năng lượng.

Thay vì dùng pin điện cồng kềnh hoặc kết nối với lưới điện, các nhà khoa học nghĩ đến việc sử dụng những tế bào pin mặt trời hữu cơ nhẹ, siêu mỏng hấp thu năng lượng ánh sáng, dù ở trong nhà hay ngoài trời.

Pin mặt trời siêu mỏng nhúng trong bong bóng xà phòng.

Vật liệu hữu cơ cho thấy nhiều triển vọng trong lĩnh vực này và được sử dụng để tạo ra thế hệ thiết bị hấp thu năng lượng mặt trời siêu nhẹ cho các ứng dụng quy mô nhỏ, như cung cấp năng lượng cho máy bay không người lái.

Nhưng kỹ thuật sản xuất hiện nay hạn chế tự do thiết kế và khả năng của những trang thiết bị nhỏ này. Vì vậy, để chế tạo các tấm pin điện quang học siêu mỏng và linh hoạt, các nhà nghiên cứu KAUST sử dụng phương pháp in phun 3D với nhiều ưu điểm hơn những kỹ thuật lắng đọng khác như tính linh hoạt cao, dễ điều chỉnh và giá thành sản phẩm rẻ.

Mặc dù kỹ thuật in hiện nay có thể mở rộng quy mô sản xuất và chế tạo các thiết bị phân lớp, như tấm pin mặt trời, nhưng còn nhiều thách thức trong việc phát triển các loại mực thích hợp.

TS Daniel Corzo, thành viên trong nhóm khoa học của Baran cho biết, các nhà nghiên cứu đã phát triển những loại mực chức năng cho từng lớp in của cấu trúc pin mặt trời. 

Để phun ra những giọt micro mực từ vòi phun rất nhỏ, cần phải khắc phục lực tương tác phân tử lượng mực trong hộp mực. Dung môi đóng vai trò rất quan trọng khi mực lắng đọng do tốc độ khô của mực in ảnh hưởng đến chất lượng của tấm phim in pin điện mặt trời. 

Để chế tạo những tấm pin mặt trời siêu mỏng và linh hoạt, nhóm nghiên cứu sử dụng một loại polymer dẫn điện cao kẹp vật liệu hấp thụ ánh sáng trong màng pin mỏng.

Sau đó, thiết bị được niêm phong bằng lớp phủ bảo vệ parylene, có tính dẻo cao nhằm ngăn ngừa sự xuống cấp dưới tác động độ ẩm hoặc phân hủy hóa học, đồng thời cho phép thiết bị có độ tương thích sinh học cao để sử dụng trong những trang thiết bị y tế.

Sau khi tối ưu hóa các thành phần mực cho mỗi lớp in của thiết bị, các nhà khoa học in pin mặt trời lên kính để kiểm tra hiệu suất sản phẩm. Nhóm nghiên cứu đạt được hiệu suất chuyển đổi điện năng (PCE) là 4,73% năng lượng ánh sáng, vượt kỷ lục đạt được là 4,1% trước đó cho một tế bào quang điện in đầy đủ.

Lần đầu tiên, nhóm nghiên cứu cho biết đã có thể in một tế bào quang điện lên chất nền linh hoạt siêu mỏng và đạt mức chuyển hóa năng lượng PCE là 3,6%.

Đây là bước đột phá cho một thế hệ pin mặt trời in siêu nhẹ đa năng mới có thể tìm được ứng dụng chế tạo nguồn điện trong xây dựng hoặc được tích hợp vào những thiết bị y tế cấy ghép trên da, chế tạo da nhân tạo cho robot đa năng.