Tăng gấp đôi công suất pin năng lượng mặt trời nhờ mô phỏng cánh bướm

Theo một nghiên cứu mới được công bố gần đây, các nhà khoa học vừa sáng chế ra một loại tế bào quang điện hấp thu ánh sáng với hiệu năng gấp đôi lấy cảm hứng từ cánh bướm. Công nghệ mới sẽ giúp cải tiến pin năng lượng mặt trời trong tương lai.

Trước đây, tế bào quang điện dùng trong các pin mặt trời luôn luôn là loại tế bào dày được đặt cố định ở một góc để hấp thu ánh sáng mặt trời nhiều nhất có thể vào ban ngày. Loại tế bào mỏng tính theo kích cỡ nano (1 nano mét = 1 phần tỉ mét) sáng hơn, nhẹ hơn tế bào dày, cũng có nhiều tiềm năng nhưng hiệu năng kém hơn nên chỉ được dùng trong đồng hồ và máy tính.

Cấu trúc của đôi cánh bướm màu đen đã được các nhà nghiên cứu mô phỏng để tạo ra các tế bào quang điện mỏng có hiệu năng cao hơn. Loại tế bào mỏng mới rất dễ sản xuất và vượt trội hơn các loại cũ ở chỗ có thể hấp thu tốt ánh sáng mặt trời từ mọi góc độ, theo kết quả nghiên cứu đăng tải trên tạp chí Những tiến bộ khoa học (Science Advances).

Cấu trúc nano hỗn độn của cánh bướm màu đen đã được các nhà nghiên cứu sử dụng để cải thiện công suất của các tế bào quang điện (Ảnh: Caltech)

Để giúp chúng ta hiểu rõ loại tế bào cánh bướm mới hiệu quả đến mức nào, nhóm nghiên cứu của kỹ sư sinh học Radwanul Siddique từ các học viện công nghệ California (Caltech) và Kalsruh (KIT) đã xây dựng một mô hình 3D cấu trúc nano của cánh bướm khi quan sát dưới kính hiển vi electron.

Trong mô hình này, cánh bướm gồm nhiều lỗ tí hon được sắp xếp ngẫu nhiên giúp bướm hấp thu nhiệt và phát xạ ánh sáng. Các lỗ này nhỏ hơn 1 phần triệu mét (được tính bằng nano mét, nm) và ngẫu nhiên về các yếu tố kích cỡ, sự phân phối, hình dạng. Các mô hình vi tính cho thấy vị trí và trật tự mới là các yếu tố quan trọng để các lỗ hấp thu ánh sáng. Sau đó, các chuyên gia sẽ ứng dụng cấu trúc nano để chế tạo tấm silicon hình dạng không cố định được hydro hóa với mục đích tạo các lỗ cùng loại với lỗ tí hon của cánh bướm. Thiết kế mới sẽ giúp các tấm silicon hấp thu ánh sáng gấp đôi các mẫu cũ.

Mô hình 3D cấu trúc nano của cánh bướm trong tự nhiên và tế bào quan điện mô phỏng cấu trúc này: từ sự phân tách pha của polymer sinh học trở thành sự phân tách pha của polymer tổng hợp (Ảnh: Caltech)

Các lỗ nano của cánh bướm đen dưới kính hiển vi electron (Ảnh: Caltech)

Kết cấu các pin mặt trời loại mới khá đơn giản về mặt kỹ thuật. Theo Phys, việc chế tạo chúng chỉ mất khoảng… 5 đến 10 phút. Các lỗ được tạo ra bằng cách loại bỏ các bit của một hỗn hợp polymer nhị phân không hòa tan trong loại polymer dùng làm tấm silicon.

(Ảnh: Caltech)

Ưu điểm vượt trội của pin mặt trời mới sử dụng kỹ thuật của Siddique là sản sinh năng lượng trong cả ngày chứ không chỉ vài giờ như hầu hết pin mặt trời hiện nay.

Theo đánh giá của giáo sư Mathias Kolle đến từ một trường công nghệ hàng đầu khác là học viện công nghệ Massachusetts (MIT), sáng kiến này là một cách tiếp cận xuất sắc khi nhìn ra được những khái niệm sinh lý học cơ sở và sao chép chúng trong một cấu trúc có cơ chế vật lý tương tự cánh bướm dù không giống lắm về hình dáng.

Nghiên cứu này là một phần trong luận văn tiến sĩ của Siddique tại Đức và một số thành viên trong phòng thí nghiệm cũ của anh ở đó đã tìm được tài trợ để tiếp tục mở rộng nghiên cứu trên tế bào quan điện và đèn LED dùng năng lượng mặt trời.

Loài bướm được các chuyên gia chọn sao chép công nghệ chính là loài bướm phượng thân hồng phổ biến ở một số nước châu Á như Ấn Độ, phía Bắc Myanmar, Trung Quốc, Thái Lan, Lào, Philipinnes và Việt Nam. Theo Sinh vật rừng Việt Nam, bướm phượng thân hồng có tên khoa học là Pachliopta aristolochiae, là một loài bướm đen với đầu đỏ, thân đỏ sẫm và đuôi hình thìa. Tên bướm được đặt theo mầu hồng của cánh. Đó cũng là lý do vì sao các nhà nghiên cứu phương Tây gọi đây là bướm hoa hồng (rose butterfly).

Loài bướm được các nhà khoa học mô phỏng chính là bướm phượng thân hồng, côn trùng đặc hữu phổ biến ở nhiều nước châu Á, trong đó có Việt Nam (Ảnh: Tô Văn Quang, Sinh vật rừng Việt Nam)

Theo The Verge, bướm phượng thân hồng là sinh vật máu lạnh, cần nhiều ánh sáng mặt trời để bay nên đôi cánh màu đen của chúng đã tiến hóa để hấp thu tốt nhất có thể năng lượng mặt trời trong những thời kỳ lạnh giá.

Các cấu trúc phức tạp đã tiến hóa của bướm phượng thân hồng là kết quả của sự chọn lọc qua hàng triệu năm và vẫn vượt trội hơn công nghệ của chúng ta, theo lời giáo sư sinh học Vinod Saranathan đến từ YaleNUS College (giáo sư Vinod không tham gia nghiên cứu này).

Trước đó đã có một công trình tương tự là nghiên cứu chế tạo thành công cấu trúc nano mô phỏng loài bướm xanh Peru của các nhà khoa học Đại học Quốc gia Úc (ANU) vào tháng 5 năm nay. Khám phá này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: năng lượng mặt trời, kiến trúc, công nghệ tàng hình.