Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Pin mặt trời thế hệ tiếp theo mô phỏng quá trình quang hợp với vật liệu sinh học có thể mang lại ý nghĩa mới cho thuật ngữ 'công nghệ xanh'. Theo một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế, việc bổ sung protein bacteriorhodopsin (bR) vào pin mặt trời perovskite đã tăng hiệu quả của các thiết bị trong một loạt các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Shashank Priya, phó chủ tịch nghiên cứu và giáo sư khoa học vật liệu tại bang Pennsylvania cho biết: "Những phát hiện này mở ra cơ hội phát triển công nghệ pin mặt trời bioperovskite rẻ hơn, thân thiện với môi trường hơn". "Trong tương lai, về cơ bản, chúng ta có thể thay thế một số hóa chất đắt tiền bên trong pin mặt trời bằng các vật liệu tự nhiên tương đối rẻ hơn."

Pin mặt trời Perovskite, được đặt tên cho các cấu trúc tinh thể độc đáo của chúng vượt trội trong việc hấp thụ ánh sáng khả kiến, là một lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ vì chúng cung cấp một sự thay thế hiệu quả hơn và ít tốn kém hơn cho công nghệ năng lượng mặt trời dựa trên silicon truyền thống.

Pin mặt trời perovskite hiệu quả nhất có thể chuyển đổi 22 đến 23 phần trăm ánh sáng mặt trời thành điện năng. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng việc bổ sung protein bR vào pin mặt trời perovskite đã cải thiện hiệu quả của thiết bị từ 14,5 đến 17%. Họ đã báo cáo những phát hiện của họ trên tạp chí Hiệp hội Hóa học và Ứng dụng ACS của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.

Nghiên cứu đại diện cho các nhà khoa học lần đầu tiên chỉ ra rằng các vật liệu sinh học được thêm vào pin mặt trời perovskite có thể mang lại hiệu quả cao. Các nghiên cứu trong tương lai có thể dẫn đến các vật liệu bioperovskite hiệu quả hơn nữa, các nhà nghiên cứu cho biết.

"Các nghiên cứu trước đây đã đạt được hiệu quả tăng 8 hoặc 9% bằng cách trộn một số protein nhất định bên trong cấu trúc pin mặt trời, nhưng vẫn chưa đạt đến gần 17%. Do vậy, những phát hiện này rất có ý nghĩa", Priya, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết.

Các nhà nghiên cứu cho biết, các mảng năng lượng mặt trời thương mại bao gồm hàng trăm hoặc hàng nghìn pin mặt trời riêng lẻ, do đó, ngay cả những cải tiến nhỏ về hiệu quả cũng có thể tiết kiệm đáng kể.

Mô phỏng tự nhiên

Dựa vào tự nhiên, các nhà nghiên cứu đã tìm cách cải thiện hiệu suất của pin mặt trời perovskite thông qua cơ chế truyền năng lượng cộng hưởng Forster (FRET), một cơ chế truyền năng lượng giữa một cặp phân tử cảm quang.

"Cơ chế FRET đã xuất hiện từ lâu", Renugopalakrishnan Venkatesan, giáo sư tại Đại học Northeastern và Bệnh viện nhi Boston, Đại học Harvard, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết. "Nó dường như là nền tảng của quang hợp và có thể được tìm thấy trong các công nghệ như truyền năng lượng không dây, và thậm chí trong thế giới động vật như một cơ chế giao tiếp. Chúng tôi đang sử dụng cơ chế này để cố gắng tạo ra một thế giới với các hệ thống lấy cảm hứng từ sinh học có khả năng vượt qua các phân tử vô cơ hoặc hữu cơ. "

Các protein bR và vật liệu perovskite có tính chất điện tương tự, hoặc các khoảng trống băng. Bằng cách sắp xếp những khoảng trống này, các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng họ có thể đạt được hiệu suất tốt hơn trong pin mặt trời perovskite thông qua cơ chế FRET.

"Các tế bào năng lượng mặt trời hoạt động bằng cách hấp thụ năng lượng ánh sáng, hoặc các phân tử photon và tạo ra các cặp lỗ electron", Subhabrata Das, người tham gia nghiên cứu khi còn là một sinh viên tiến sĩ tại Đại học Columbia cho biết. "Bằng cách gửi các electron và lỗ trống theo hai hướng ngược nhau, pin mặt trời tạo ra một dòng điện biến thành điện năng."

Tuy nhiên, một tỷ lệ nhất định của các cặp lỗ electron kết hợp lại, làm giảm lượng dòng điện được tạo ra. Việc trộn protein bR vào pin mặt trời perovskite đã giúp các cặp lỗ electron di chuyển tốt hơn qua các thiết bị, giảm tổn thất tái hợp và tăng hiệu quả, các nhà khoa học cho biết.

Các nhà nghiên cứu cho biết những phát hiện này có thể có những kết quả lớn hơn, dẫn đến việc thiết kế các thiết bị lai khác trong đó các vật liệu nhân tạo và sinh học phối hợp với nhau.

Tài liệu tham khảo
Subhabrata Das, Congcong Wu, Zhaoning Song, Yuchen Hou, Rainer Koch, Ponisseril Somasundaran, Shashank Priya, Bernardo Barbiellini, Renugopalakrishnan Venkatesan. Bacteriorhodopsin Enhances Efficiency of Perovskite Solar Cells. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019; 11 (34): 30728 DOI: 10.1021/acsami.9b06372

Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2019/10/191022121130.htm