Các nhà nghiên cứu Trường Đại học North Carolina State đã phát triển thành công một phương pháp mới có thể tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời làm từ chất dẻo hoạt động hiệu quả hơn. Nghiên cứu này có sự liên quan chặt chẽ trong việc phát triển các tế bào năng lượng mặt trời có phạm vi thu hút ánh sáng rộng và có hiệu quả hơn.

Hiện nay, các tế bào năng lượng mặt trời làm từ chất dẻo đang cạnh tranh với các tế bào năng lượng mặt trời gốc silicon về hiệu suất chuyển đổi năng lượng, do đó các nhà khoa học muốn tăng phạm vi hoạt động của photon để các tế bào năng lượng mặt trời làm từ chất dẻo dễ dàng hấp thụ ánh sáng mặt trời. Các tế bào năng lượng mặt trời dạng tam phân, trong đó có ba loại vật liệu được pha hỗn với nhau như là một lớp mỏng khai thác ánh sáng (light-harvesting), đã cung cấp cho chúng ta một giải pháp đầy tiềm năng. Tuy nhiên, các tế bào năng lượng mặt trời dạng tam phân này đều được sản xuất trong nhiều năm qua, nhưng hầu hết các thiết bị này đã không thể đáp ứng với mức độ hiệu suất như mong muốn, mà nguyên nhân chủ yếu là do phối trộn không tốt.

Masoud Ghasemi, nghiên cứu sinh chuyên ngành vật lý tại NC State, và là tác giả chính của bài báo mô tả công trình nghiên cứu, đã làm việc với một nhóm nhà nghiên cứu vật lý khác tại NC State do Harald Ade đứng đầu và nhóm nhà hóa học Trường Đại học North Carolina tại Chapel Hill do Wei You đứng đầu để xác định phương pháp giải quyết các vấn đề phát sinh trong sản xuất chế tạo tế bào năng lượng mặt trời này. 

Nhóm nghiên cứu đã đề xuất một công cụ đo nhiệt lượng để nghiên cứu hình thái học của một hệ thống tam phâm chứa hai chất trùng hợp chứa phân tử cho hấp thụ và một chất nhận fulơren. Khi chế tạo bằng phương pháp truyền thống - bao gồm việc pha trộn cả ba nguyên liệu với nhau và sau đó là lắng chúng lên một chất nền - hệ thống này làm cho hiệu suất của thiết bị kém hiệu quả. 

“Khi sử dụng kỹ thuật nhiệt động lực, chúng tôi có thể thấy thấy hỗn hợp đặc biệt này đã bị pha trộn, trong đó các chất trùng hợp chứa phân tử cho hấp thụ (donor polymer) có khuynh hướng nhóm nhau và đẩy fulơren”, Ghasemi nói. “Điều này giải thích tại sao rất nhiều các tế bào dạng tam phân được tạo ra bằng phương pháp truyền thống có hiệu quả thấp”.

Cuối cùng các nhà nghiên cứu đã lựa chọn được một giải pháp để giải quyết vấn đề này đó là hòa trộn riêng lẻ chất trùng hợp với fulơren, thay vì trộn tất cả ba chất này cùng một lúc. Họ đã tạo ra hai hỗn hợp riêng biệt được phân thành các lớp trên chất nền để tạo ra các tế bào mặt trời dạng tam phân một cách tuần tự, mà không mất giá trị. 

Theo Ghasemi cho biết: “Tế bào mặt trời SeCaT này có thể ngăn chặn các chất trùng hợp khỏi quá trình hòa trộn là do chúng cáo cấu trúc lớp. Thiết kế mới này sẽ cho phép tạo ra được các tế bào mặt trời bằng chất dẻo có độ cảm biến quang rộng hơn, sử dụng các bước xử lý linh hoạt và có chi phí rẻ, và có thể giảm bớt các khó khăn trong lựa chọn nguyên liệu. Hy vọng phương pháp mới này có thể đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng giảm hiệu ứng nhà kính hướng đến phát triển nông nghiệp năng lượng bằng không. Tuy nhiên, các vật liệu dùng trong chế tạo phải phù hợp với phương pháp này và phải có các đặc tính quang học tương thích với những ứng dụng này”.

Công trình nghiên cứu do này đã được công bố trên Tạp chí Advanced Materials.