Tăng hiệu suất pin mặt trời bằng lớp phủ cấu trúc nano lấy ý tưởng từ mắt bướm đêm

Để bay trong bóng tối và lẩn tránh con mồi, mắt của loài bướm đêm gần như không phản xạ ánh sáng. Đặc tính này đã được các nhà khoa học khai thác và phát triển thành một loại phim chống phản chiếu phủ ngoài pin mặt trời. Giờ đây, một nhóm nghiên cứu tại đại học Bắc Carolina đã tiếp tục cải tiến công nghệ trên nhằm tăng hiệu suất của pin lên cao nhất có thể.

Giáo sư Chih-Hao Chang cùng các cộng sự đã phát triển một tấm phim mới, được thiết kế để giảm thiểu hiện tượng giao thoa màng mỏng trong các tấm pin mặt trời. Giao thoa màng mỏng (thin-film interference) là một hiện tượng xảy ra khi các sóng ánh sáng tới được phản chiếu bởi lớp trên và lớp dưới của một bản mỏng giao thoa với nhau tạo nên một sóng mới. Theo học thuyết, một màng mỏng là một lớp vật liệu với độ mỏng từ bán nanomet đến micron. Khi ánh sáng chiếu vào bề mặt của một màng mỏng, nó có thể đồng thời phản xạ tại mặt trên và truyền xuống mặt dưới. Khi tiếp xúc với mặt dưới, ánh sáng tiếp tục truyền qua hoặc bị phản xạ. Ánh sáng phản xạ từ mặt trên và mặt dưới sẽ giao thoa và độ giao thoa tăng cường hay triệt tiêu giữa 2 sóng ánh sáng phụ thuộc vào sự khác biệt trong các pha của chúng. Sự khác biệt này dựa trên độ mỏng của tấm phim, hệ số khúc xạ của tấm phim và góc tới của tia sáng ban đầu lên tấm phim. Ánh sáng hệ quả từ sự giao thoa trên có thể xuất hiện dưới dạng các dãi sáng và tối hoặc nhiều màu sắc tùy theo nguồn ánh sáng tới. Một ví dụ mà chúng ta thường gặp về hiện tượng giao thoa màng mỏng là các vệt màu 7 sắc cầu vồng trên một bãi dầu loang hoặc bong bóng xà phòng. Dầu nổi trên mặt nước, ánh sáng phản chiếu từ bề mặt dầu nhưng một phần ánh sáng cũng xuyên qua bề mặt này và phản xạ từ lớp nước bên dưới. Do 2 nguồn phản xạ ánh sáng khác nhau về đặc tính quang học, chúng giao thoa với nhau và tạo ra hiệu ứng cầu vồng.

Hiện tượng tương tự có thể xuất hiện khi các tấm phim mỏng được đặt lên nhau. Trong trường hợp của pin quang điện, chúng được tạo thành từ nhiều tấm phim mỏng xếp chồng lên nhau và ánh sáng thường thất thoát giữa các lớp phim nơi hiện tượng giao thoa xảy ra.

Để khắc phục nhược điểm trên, nhóm của Chang đã phát triển các tấm phim tích hợp cấu trúc nano hình nón, tương tự cấu trúc nốt lồi trong mắt bướm đêm. Khi xuất hiện trên bề mặt của một tấm phim, những cấu trúc này có thể xâm nhập vào mặt dưới của một tấm phim khác xếp trên, giống như các viên gạch Lego. Kết quả là hiện tượng giao thoa giữa các tấm phim hầu như không xảy ra. Quy trình tiếp tục lặp lại với nhiều tấm phim chồng lên nhau.

Theo các nhà khoa học, lượng ánh sáng phản chiếu bởi một trong số các bề mặt có cấu trúc nano chỉ bằng 1/100 so với bề mặt của các tấm pin mặt trời thông thường. Hiện tại, họ đã lên kế hoạch áp dụng công nghệ trên một thiết bị dùng năng lượng mặt trời và tìm kiếm các ứng dụng thương mại.

Công trình nghiên cứu của Chang cùng các cộng sự đến từ đại học North Carolina đã được đăng tải trên tạp chí Nanotechnology trong tuần qua.