by Bài viết trình bày tóm tắt về một loại pin mặt trời mới – “pin mặt trời lá cây” – thân thiện với môi trường, trong đó đã mô phỏng các phản ứng quang hợp trong lá cây xanh nhằm khai thác nguồn năng lượng mặt trời cho sản xuất điện năng.
Trong thời đại của công nghệ xanh, ngành công nghiệp năng lượng cũng đang phát triển các công nghệ sạch, thân thiện với môi trường. Nói riêng, bản thân công nghệ sản xuất điện bằng pin mặt trời (PMT) đã là công nghệ năng lượng sạch vì nó sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) làm “nhiên liệu”, không
gây phát thải khí nhà kính và các ô nhiễm môi trường khác. Tuy nhiên, gần đây các nhà khoa học còn đi xa hơn một bước nữa là phát triển một loại PMT mô phỏng quá trình hấp thụ NLMT để sản xuất năng lượng của lá cây.
Dưới đây ta sẽ gọi loại pin này là PMT lá cây.
Trước hết để hiểu nguyên lý cấu tạo và hoạt động của PMT lá cây ta hãy mô tả tóm tắt nguyên lý cấu tạo và hoạt động của PMT truyền thống – PMT tinh thể Silicium (Si).
1- Pin mặt trời tinh thể Si
Như đã biết, nguồn NLMT là một nguồn NL sạch, có tính tái tạo và vì vậy có trữ lượng khổng lồ.
Một trong các công nghệ hiệu quả nhất để khai thác NLMT hiện nay là công nghệ quang-điện hay PMT (solar photovoltaic, PV). Công nghệ này cho phép biến đổi trực tiếp NLMT thành điện năng nhờ một thiết bị chuyển đổi năng lượng gọi là PMT (solar photovoltaic Cells) hoạt động dựa trên hiệu ứng quang-điện. Hiện nay trên thế giới, hơn 90% PMT là PMT tinh thể Si. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của PMT Si tinh thể được mô tả trên hình 1.
a. Nguyên lý cấu tạo
Thành phần chính của PMT Si là một lớp tiếp xúc bán dẫn PN được tạo ra giữa hai phiến chất bán dẫn Si khác loại, loại N và loại P. Tại lớp tiếp giáp của các bán dẫn loại N và P, do sự khuếch tán của các điện tử, hình thành một lớp tiếp xúc PN, trong đó tồn tại một điện trường tiếp xúc Etx hướng từ bán dẫn N sang bán dẫn P. Mặt trên của phiến bán dẫn N được phủ một lưới điện cực bằng kim loại. Màng kim loại điện cực thứ hai được phủ ở mặt dưới phiến P. Độ dày tổng thể của pin chỉ khoảng 0,3 đến 0,5mm.
b. Nguyên lý hoạt động
Khi chiếu ánh sáng mặt trời vào mặt trên của pin, do phiến bán dẫn N rất mỏng, nên các tia mặt trời có thể xuyên sâu tới lớp tiếp xúc PN. Các nguyên tử Si hấp thụ NLMT và tạo ra trong lớp tiếp xúc PN và vùng lân cận các cặp hạt mang điện là điện tử và lỗ trống liên kết yếu với nhau,điện tử mang điện tích âm, còn lỗ trống mang điện tích dương nguyên tố. Do đã sẵn có điện trường tiếp xúc Etx tại lớp PN nên ngay lập tức các điện tử và lỗ trống trong các cặp bị tách ra và bị đẩy về các phía ngược nhau, điện tử bị đẩy về điện cực trên, còn lỗ trống bị đẩy về điện cực dưới (xem hình 1). Giữa hai điện cực trên và dưới có một hiệu điện thế. Nếu nối hai điện cực bằng dây dẫn với một bóng đèn thì sẽ có một dòng điện
gọi là dòng quang-điện qua đèn và làm đèn sẽ sáng.Hiện tượng này được gọi là Hiệu ứng quang-điện.
Nhờ nó mà NLMT được biến đổi trực tiếp thành điện năng.
Như vậy, cốt lõi của hiện tượng này là: (i) Nguyên tử hấp thụ NLMT và sản sinh ra các hạt mang điện là điện tử và lỗ trống; (ii) Sự tồn tại của điện trường tiếp xúc Etx tại lớp PN đã đẩy các hạt điện chuyển động có hướng tạo ra dòng điện.
Hiện nay hiệu suất biến đổi năng lượng của PMT Si tinh thể vào khoảng (15 ÷ 17)%, tức là nếu chiếu vào mặt pin NLMT với công suất 100W thì ta thu được dòng điện có công suất trong khoảng 15W đến 17W tùy thuộc chất lượng loại PMT.
c. Ưu nhược điểm của PMT Si
Ưu điểm của công nghệ PMT Si là vật liệu sản xuất pin (Si) là cát thạch anh sẵn có ở mọi nơi, công nghệ chế tạo Si tinh thể cũng như các công nghệ phụ khác để sản xuất PMT đã đạt được trình độ khá hoàn thiện. Chính vì vậy mà giá PMT và do đó giá điện mặt trời cũng đã giảm khá nhanh. Hiện nay, giá điện năng từ công nghệ quang-điện trung bình chỉ ở trong khoảng 10 ÷ 15 USCents/kWh.
Nhược điểm lớn nhất của công nghệ PMT là tiêu tốn khá nhiều vật liệu Si tinh khiết. Mà như đã biết, để tạo ra được Si tinh khiết lại phải tiêu tốn rất nhiều năng lượng và do đó gây ra ô nhiễm môi trường.
Chính vì vậy mà gần đây các nhà khoa học đã nghiên cứu, phát triển và ứng dụng một loại PMT mới gọi là PMT hữu cơ hay PMT lá cây để giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
2- PMT lá cây
2.1. Cơ chế hấp thụ NLMT để tạo ra các hạt mang điện và chất hữu cơ trong lá cây
a. Phản ứng quang hợp trong lá cây
Có thể nói, cây xanh là một “nhà máy sản xuất năng lượng tự nhiên” phức tạp nhưng hoàn hảo để thu NLMT và chuyển đổi thành hóa năng tích trữ trong cây nhờ các phản ứng quang hợp. Các “nguyên liệu” chính của “nhà máy cây xanh” gồm NLMT, nước (H2O), khí Các-bô nic (CO2) và các khoáng chất có trong đất. Thông qua các phản ứng quang hợp, chủ yếu xảy ra trên các lá cây, mà cây cối đã chuyển đổi NLMT và các nguyên liệu khác thành các sản phẩm giàu năng lượng như đường gluco (C6H12O6) và khí Oxi (O2). Bộ phận chính trong cây thực hiện phản ứng quang hợp và các sản phẩm của nó là chất diệp lục (chlorophyll) và một vài sắc tố khác – dưới đây gọi chung là chất nhạy màu – tập trung ở các lá cây.
Phản ứng xảy ra trong quá trình quang hợp ở lá cây là một chuỗi phản ứng rất phức tạp, gồm rất nhiều phân đoạn, nhưng có thể viết tóm tắt như biểu thức sau:
CO2 + H2O + NLMT → C6H12O6 + O2 + H2O (1)
Như ta thấy, phản ứng quang hợp đã thực hiện chuyển đổi NLMT thành các sản phẩm giàu năng lượng.
Tuy nhiên, trong PMT lá cây, người ta không sử dụng toàn bộ phản ứng quang hợp, mà chỉ sử dụng một số phân đoạn của phản ứng, trong đó chủ yếu là phân đoạn tạo ra các hạt mang điện như mô tả dưới đây.
b. Phân đoạn tạo ra các hạt mang điện trong phản ứng quang hợp
Nghiên cứu phản ứng quan hợp người ta thấy rằng, có một phân đoạn sau: ánh sáng mặt trời chiếu vào lá cây, các phân tử chất nhạy màu trong lá hấp thụ NLMT và chuyển sang trạng thái năng lượng cao, và đồng thời cũng giải phóng ra các hạt mang điện là điện tử và lỗ trống. Nhờ các điện tử được giải phóng này chuyển động tới các phân tử chất khác trong lá cây trong các phân đoạn phản ứng tiếp theo mà tạo ra các sản phẩm như đã cho trong biểu thức (1).
Các nhà khoa học đã “bắt chước” cách mà lá cây thu NLMT, kích thích các phân tử chất nhạy màu và tạo ra các hạt mang điện để có thể sản xuất điện.
2.2. Pin mặt trời lá cây
a. Nguyên lý cấu tạo của pin mặt trời lá cây
Như cho thấy trên hình 2, pin gồm hai điện cực trong suốt TCO (Transparent Conducting Oxide). Mặt trong của một điện cực (điện cực trái) phủ một lớp Titan Dioxide (TiO2) có chức năng hấp thụ ánh
sáng mặt trời và tiếp nhận điện tử.
Chất nhạy màu, có thể chiết suất từ lá cây tự nhiên hay được tổng hợp nhân tạo, được gắn vào bề mặt TiO2. Tiếp đến là một dung dịch điện ly có chứa cặp chất oxi hóa-khử là các ion Iodide I3- và I- có nhiệm vụ hoàn trả lại điện tử cho chất nhạy màu. Điện cực còn lại (cực dương) được phủ một lớp Platin
b. Nguyên lý hoạt động của pin
Hình 3 cho thấy cơ chế tạo ra hạt mang điện trong PMT lá cây. Tia mặt trời chiếu xuyên qua điện cực âm (bên trái) tới phân tử chất nhạy màu đang ở trạng thái năng lượng thấp HOMO. Phân tử này nhận được NLMT, bị đẩy lên trạng thái năng lượng cao LUMO.
Quá trình này tạo ra một điện tử ở trạng thái năng lượng LUMO và để lại một lỗ trống ở HOMO. Vì các trạng thái năng lượng dẫn điện của TiO2 nằm ngay sát kề dưới LUMO nên điện tử vừa được giải phóng ở trạng thái LUMO dễ dàng chuyển vào vùng dẫn điện của TiO2 và khuếch tán tới điện cực âm của pin
(hình 3). Tiếp đó điện tử chạy qua qua dây dẫn mạch ngoài, qua bóng đèn và đến cực dương (hình 2). Khi điện tử đến điện cực dương, nhờ chất xúc tác Platin Pt, Ion I3- kết hợp với điện tử (e-) vừa chuyển sang để tạo ra Ion I- theo sơ đồ I3- + 2e- → I-. Sau đó Ion I- trả lại cho trạng thái HOMO của chất nhạy
màu một điện tử theo sơ đồ I- → 2 e- + I3- (hình 2). Như vậy, điện tử đã đi được một vòng kín trong pin và tạo ra điện năng ở mạch ngoài làm bóng đèn sáng. Dòng điện cứ tiếp tục như vây chừng nào còn có ánh sáng mặt trời chiếu tới chất nhạy màu. Như vậy là PMT lá cây cũng có thể thu và biến đôỉ NLMT thành điện năng như PMT Si.
Hiện nay PMT lá cây vẫn còn ở giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm và hoàn thiện nhằm nâng cao hơn nữa hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Hiệu suất cao nhất đã đạt được là 11%.
c. Ưu nhược điểm của PMT lá cây
Các ưu điểm nổi bật của PMT lá cây bao gồm:
(1) PMT lá cây mô phỏng theo các quá trình của tự nhiên để khai thác NLMT và chuyển đổi thành điện
năng. Vì vậy, quá trình sản xuất năng lượng này là thân thiện với môi trường.
(2) So với các PMT vô cơ màng mỏng khác có hiệu suất từ 5% đến 13% thì PMT lá cây có hiệu suất khá cao (hiện nay đã đạt 11% và chắc chắn sẽ còn đạt hơn nữa khi công nghệ hoàn thiện).
(3) Trong PMT lá cây, điện tử được sinh ra khi chất nhạy màu hấp thụ NLMTđược chuyển ngay sang vùng dẫn của TiO2 mà không tạo ra lỗ trống trong TiO2 nên xác suất tái hợp rất nhỏ so với PMT Si và vì vậy, hiệu suất của PMT lá cây hứa hẹn có thể cao hơn PMT Si. Ngoài ra, PMT lá cây còn có thể sản xuất điện năng với hiệu suất cao ngay cả khi chỉ có ánh sáng tán xạ như ánh sáng ở trong nhà hoặc trong các ngày trời mây mù.
Nhược điểm lớn nhất của PMT lá cây là sử dụng dung dịch điện ly lỏng và phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ cao, dung dịch dãn nở dễ gây ra dò rỉ. Còn khi nhiệt độ xuống thấp, dung dịch bị đông đặc lại hay đóng băng làm cho pin hoạt động khó khăn, thậm chí không hoạt động được. Vì nhược điểm cơ bản này mà hiện nay các nhà khoa học đang nghiên cứu tìm các dung dịch điện ly rắn hay ở dạng keo đặc để thay thế dung dịch lỏng.
3. Kết luận
Mặc dù còn một số vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu giải quyết, nhưng PMT lá cây hứa hẹn sẽ là một bước tiến mới trong khai thác và ứng dụng NLMT để sản xuất năng lượng và đặc biệt là thân thiện với môi trường, phù hợp với xu thế phát triển năng lượng sạch góp phần giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu trên hành tinh chúng ta.
0 comments: