Tháng vừa qua, tại hội nghị vật lý ứng dụng Nhật Bản, một nhóm nghiên cứu từ viện công nghệ Kyoto đã giới thiệu một loại pin quang điện mới có khả năng sản sinh ra điện không chỉ từ ánh sáng thấy được mà còn từ áng sáng cực tím và hồng ngoại. Được dẫn dắt bởi phó giáo sư Saki Sonoda, nhóm nghiên cứu hy vọng công nghệ này sẽ tiến đến một loại pin quang điện có hiệu năng cao hơn với cấu trúc chuyển tiếp đơn tần thay vì đa tần trong các pin mặt trời thông thường.


Pin quang điện mới được chế tạo bằng cách pha tạp một bán dẫn phức hợp trong suốt có khe năng lượng rộng - trong trường hợp này là Gali nitrat (GaN). Khe năng lượng (vùng cấm) là một phạm vi năng lượng trong vật chất rắn, tại đây không có sự tồn tại của electron. Trong biểu đồ cấu trúc phân giải điện tử của vật chất rắn, khe năng lượng ám chỉ những chênh lệch năng lượng giữa đầu vùng hóa trị và cuối vùng dẫn. Đây là một đặc điểm thường thấy quan trọng trong vật liệu cách ly và bán dẫn bởi bản chất bán dẫn có thể đóng mở dòng điện bằng cách đặt một hiệu điện thế nhỏ, cung cấp năng lượng cho các điện tử vượt qua khe năng lượng. Độ rộng của khe năng lượng quy định thể đóng mở lại là một thuộc tính của bán dẫn và chỉ có thể thay đổi khi chúng ta thay đổi thành phần hóa học hoặc cấu trúc vật liệu.

Kim loại còn lại kết hợp với GaN là một kim loại chuyển tiếp có Orbital lớp 3d chẳng hạn như Mangan. Nhắc lại về Orbital, Orbital miêu tả hình dáng phân bố xác suất tìm thấy electron trong nguyên tử. Các electron quay quanh hạt nhân với các mẫu hình phức tạp. Tuy nhiên, sẽ có những điểm trong không gian quanh hạt nhân, ở đó xác suất tìm thấy electron là lớn nhất, hơn 90%. Các điểm cùng có xác suất tìm thấy electron lớn nhất này được gọi là các Orbital. Trở lại với Orbital lớp d, các nguyên tố có Orbital lớp d còn được gọi là kim loại chuyển tiếp. Chúng bao gồm các nguyên tố thuộc nhóm 3 đến nhóm 12 trên bảng tuần hoàn hóa học. Các kim loại khác trong họ với Mangan (Mn) là Scandi (Sc), Titan (Ti), Vanadi (V), Crom (Cr), Sắt (Fe), Coban (Co), Niken (Ni), Đồng (Cu) và Kẽm (Zn).

Như đã biết, nguyên lý hoạt động của pin quang điện là hiệu ứng quang điện do Einstein phát hiện. Đây là hiệu ứng mô tả khả năng ánh sáng (quang tử) khi chiếu lên bề mặt vật liệu thì nó có thể đẩy điện tử ra khỏi bề mặt. Điện tử thoát ra trở thành điện tử tự do và với chuyện động của chúng, ta có dòng điện. Vật liệu thường dùng trong pin quang điện là silicon. Để đánh bật các điện tử ra khỏi mạng silicon thì quang tử phải mang năng lượng lớn hơn trị số khe năng lượng đã đề cập ở trên của silicon. Quang tử sẽ khiến điện tử ở vùng hóa trị chuyển sang vùng dẫn từ đó tạo thành dòng điện. Với pin quang điện có cấu trúc chuyển tiếp đa tần, hàng loạt các tấm phim mỏng có khả năng hấp thụ khác nhau sẽ được thiết lập để hấp thụ quang phổ ánh sáng. Nhưng với loại pin quang điện mới được chế tạo từ vật liệu hổn hợp GaN - kim loại chuyển tiếp, tất cả ánh sáng sẽ có thể được hấp thụ chỉ với cấu trúc chuyển tiếp đơn tần.

Với những cải tiến trong lĩnh vực quang điện, chúng ta có thể thấy được tiềm năng của các tấm phim mặt trời không chỉ là khả năng thực hiện áp dụng thực tế mà còn khả năng phát triển và cải tiến ngày càng tốt hơn.

:kiss:
Nguồn: Gizmag,tinhte