Các nhà nghiên cứu đang khám phá hiệu ứng quang điện khối (BPV) từ một vật liệu đầy hứa hẹn cho các công nghệ thu năng lượng mặt trời trong tương lai.
Hiệu ứng quang điện khối là một hiện tượng hiếm gặp, có thể cho phép một số vật liệu vượt qua hiệu suất của các tế bào năng lượng mặt trời sử dụng mối nối p–n truyền thống (mối nối p–n là một ranh giới giữa vật liệu loại p và loại n trong một thiết bị bán dẫn, hoạt động như một chỉnh lưu).
Trong một bước đột phá gần đây, các nhà nghiên cứu tại Nhật Bản đã lần đầu tiên xác nhận hiệu quả của hiệu ứng BPV trong chất selenide indium pha alpha (α-In2Se3) theo hướng ngoài mặt phẳng, phù hợp với các dự đoán lý thuyết trước đó. Hiệu suất chuyển đổi ấn tượng đạt được trong thiết bị α-In2Se3 của họ thể hiện một bước tiến quan trọng cho các công nghệ tế bào năng lượng mặt trời và cảm biến ánh sáng thế hệ tiếp theo.
Sự hiểu biết sâu sắc về hiệu ứng quang điện, mà theo đó ánh sáng có thể được chuyển đổi thành năng lượng điện hữu ích, là cốt lõi của thiết kế và phát triển tế bào năng lượng mặt trời. Hiện nay, hầu hết các tế bào năng lượng mặt trời sử dụng mối nối p–n, khai thác hiệu ứng quang điện xảy ra tại giao diện của các vật liệu khác nhau. Tuy nhiên, các thiết kế này bị giới hạn bởi giới hạn Shockley–Queisser, giới hạn tối đa hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời và áp đặt sự đánh đổi giữa điện áp và dòng điện có thể tạo ra thông qua hiệu ứng quang điện.
Khám phá hiệu ứng BPV trong vật liệu tinh thể
Tuy nhiên, một số vật liệu tinh thể nhất định thể hiện hiện tượng thú vị được gọi là hiệu ứng quang điện khối (bulk photovoltaic). Trong các vật liệu thiếu sự đối xứng bên trong, các electron bị kích thích bởi ánh sáng có thể di chuyển theo một hướng cụ thể thay vì quay trở lại vị trí ban đầu. Điều này dẫn đến cái gọi là “dòng dịch chuyển”, tạo ra hiệu ứng BPV. Mặc dù các chuyên gia đã dự đoán rằng selenide indium pha alpha (α-In2Se3) có thể là một ứng viên tiềm năng để thể hiện hiện tượng này, nhưng nó chưa được nghiên cứu thực nghiệm.
Để lấp đầy khoảng trống kiến thức này, một nhóm nghiên cứu từ Nhật Bản, do Phó Giáo sư Noriyuki Urakami từ Đại học Shinshu dẫn đầu, đã khám phá hiệu ứng BPV trong α-In2Se3. Phát hiện của họ đã được công bố gần đây trên tạp chí Applied Physics Letters.
“Vật liệu này gần đây đã trở thành một chủ đề nóng trong lĩnh vực vật lý vật chất ngưng tụ, vì nó có thể tạo ra dòng dịch chuyển. Nghiên cứu của chúng tôi là nghiên cứu đầu tiên chứng minh thực nghiệm dự đoán này,” Giáo sư Urakami chia sẻ.
Thiết bị phân lớp α-In2Se3
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một thiết bị phân lớp bao gồm một lớp α-In2Se3 mỏng nằm giữa hai lớp than chì trong suốt. Các lớp than chì này đóng vai trò là điện cực và được kết nối với nguồn điện áp và ampe kế để đo các dòng điện tạo ra khi bị chiếu sáng. Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu đã sử dụng cách sắp xếp lớp này vì họ tập trung vào các dòng dịch chuyển xảy ra theo hướng ngoài mặt phẳng trong lớp α-In2Se3.
Sau khi thử nghiệm với các điện áp ngoài và ánh sáng có tần số khác nhau, các nhà nghiên cứu đã xác minh sự tồn tại của dòng dịch chuyển theo hướng ngoài mặt phẳng, xác nhận các dự đoán đã nêu ở trên. Hiệu ứng BPV xảy ra trên một dải tần số ánh sáng rộng.
Quan trọng nhất, các nhà nghiên cứu đã đánh giá tiềm năng của hiệu ứng BPV trong α-In2Se3 và so sánh nó với các vật liệu khác. “Thiết bị α-In2Se3 của chúng tôi đã chứng minh hiệu suất lượng tử cao hơn nhiều bậc so với các vật liệu sắt điện khác,” Giáo sư Urakami nhận xét. Ông bổ sung thêm, “Khám phá này sẽ hướng dẫn việc lựa chọn vật liệu cho việc phát triển các thiết bị quang điện trong tương lai gần.”
Nhóm nghiên cứu hy vọng rằng những nỗ lực của họ cuối cùng sẽ có tác động tích cực đến môi trường bằng cách đóng góp vào lĩnh vực phát điện từ năng lượng tái tạo. “Phát hiện của chúng tôi có tiềm năng thúc đẩy nhanh sự phổ biến của các tế bào năng lượng mặt trời, một trong những công nghệ then chốt cho việc thu hoạch năng lượng môi trường và là một hướng đi đầy hứa hẹn hướng tới một xã hội trung hòa carbon,” Giáo sư Urakami kết luận.
Chúng tôi hy vọng rằng nghiên cứu này sẽ mở đường cho các nghiên cứu tiếp theo để khai thác hiệu ứng BPV và cải thiện đáng kể hiệu suất của các tế bào năng lượng mặt trời, cũng như tăng cường thiết kế các máy dò ánh sáng nhạy cảm.
