Hướng phát triển mới cho pin năng lượng mặt trời

Nhóm chuyên gia tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-TPHCM vừa chế tạo thành công pin mặt trời chất màu nhạy quang có sử dụng vật liệu nanocomposite trên cơ sở graphene làm điện cực catot và anot. Pin có khả năng cải thiện hiệu suất hơn 20% so với pin dùng vật liệu Pt và TiO₂ truyền thống, đồng thời giảm đáng kể lượng vật liệu Pt và TiO₂ sử dụng 

Thực tế cho thấy, sự gia tăng nhu cầu sử dụng năng lượng hóa thạch trên phạm vi toàn cầu đã và đang kéo theo nhiều vấn đề về ô nhiễm môi trường cũng như cạn kiệt các nguồn tài nguyên thiên nhiên. Các vấn đề trên đã thúc đẩy nhiều nhà khoa học nghiên cứu phát triển công nghệ năng lượng tái tạo như mặt trời, điện, gió, và thủy triều.

Công nghệ để sản xuất điện từ năng lượng mặt trời bao gồm các thiết bị chuyển đổi trực tiếp bức xạ mặt trời thành hóa năng, nhiệt năng, và điện năng, điển hình là pin mặt trời. Trong thời gian qua, các nghiên cứu liên quan đến sản xuất pin mặt trời không ngừng cải tiến và mang lại nhiều kết quả khả quan, điển hình là sự xuất hiện của pin mặt trời chất màu nhạy quang (Dyesensitized Solar Sell - DSSC) hiện được nhiều quốc gia chú trọng phát triển vì giá thành sản xuất rẻ, nguyên vật liệu dùng để chế tạo điện cực của pin đa dạng. Đáng chú ý, sự phát triển mạnh của vật liệu nano như ống nano cacbon, cacbon vulcan hay graphene, cũng đã mở ra những hướng phát triển mới cho pin DSSC.

Trong đó, việc cải tiến điện cực catot và điện cực anot trong pin DSSC là những nghiên cứu được nhiều nhà khoa học quan tâm, và đây cũng là mục tiêu tổng được nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Công nghệ Hóa học và Dầu khí (Key CEPP Lab), Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-TPHCM khẩn trương đặt ra cho nhiệm vụ khoa học công nghệ “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite trên cơ sở graphene ứng dụng trong pin mặt trời chất màu nhạy quang”.

TS. Phạm Trọng Liêm Châu là chủ nhiệm đề tài nói trên cho biết, phạm vi của đề tài tập trung nghiên cứu ứng dụng của các loại vật liệu nanocomposite mới trên cơ sở graphene (Gr) như graphene-platin (Gr-Pt) và graphene-titan dioxit (Gr-TiO₂), qua đó vừa giúp giảm chi phí sản xuất, vừa đảm bảo hiệu suất chuyển hóa năng lượng của pin DSSC.

Nguyên lý hoạt động của pin DSSC (ảnh nhỏ: sản phẩm pin DSSC hoàn thiện của đề tài)

Sau 2 năm nghiên cứu, nhóm đã thành công trong việc tạo ra các sản phẩm, gồm: Keo in lụa Gr-Pt và Gr-TiO₂; điện cực catot Gr-Pt và anot Gr-TiO₂. Từ đó xây dựng quy trình và lắp ráp thành công pin DSSC chế tạo từ điện cực catot và anot với vật liệu là Gr-Pt và Gr-TiO₂, cải thiện hiệu suất chuyển hóa năng lượng cao hơn 7%, tăng hiệu suất hơn 20% so với pin chỉ hoàn toàn sử dụng vật liệu Pt và TiO₂.

Keo in lụa Gr-Pt (trên) và Gr-TiO₂ (dưới) sau khi tổng hợp

Đại diện nhóm nghiên cứu khẳng định, kết quả nói trên cũng đã tạo tiền đề để tiếp tục mở rộng việc nghiên cứu các sản phẩm khác từ vật liệu nanocomposite trên cơ sở graphene. Đồng thời, quá trình thực hiện nhiệm vụ khoa học công nghệ nói trên của Đại học Bách Khoa TP.HCM đã đào tạo thành công 4 thạc sỹ thông qua các hoạt động nghiên cứu các sản phẩm thuộc lĩnh vực năng lượng như pin mặt trời hay pin nhiên liệu, từ đó sẵn sàng nguồn nhân lực chất lượng cao cho lĩnh vực đầy tiềm năng này. Cùng với đó, nhóm thực hiện đề tài triển khai 3 bài báo khoa học và đã lần lượt được đăng trên các tạp chí quốc tế có uy tín thuộc danh mục Wed of Science như Inorganic Chemistry Communications, Electronic Materials, Arabian Journal for Science and Engineering.

Vật liệu tổng hợp giúp giảm giá thành

TS. Phạm Trọng Liêm Châu cho biết, vật liệu được sử dụng làm catot trong pin DSSC phổ biến nhất hiện nay là Pt, còn thành phần chính của anot trong pin chủ yếu là TiO₂.

“Catot làm từ Pt có điểm mạnh là dẫn điện tốt, khả năng xúc tác, độ bền hóa học và hoạt động ổn định. Anot chế tạo bằng TiO₂ lại khá phổ biến bởi ưu điểm về độ bền khi chịu tác động của ánh sáng mặt trời. Tuy nhiên, Pt là kim loại quý có giá thành cao nên chi phí sản xuất pin DSSC cũng tăng theo. Còn với TiO₂, các điện tử và lỗ trống trong hợp chất dễ tái tổ hợp, làm giảm hiệu suất của pin”, TS. Châu chia sẻ.

Từ trái qua: Điện cực catot Gr-Pt, anot Gr-TiO₂ và pin DSSC được nhóm nghiên cứu chế tạo thành công

Trong khi đó, graphene sở hữu nhiều ưu điểm như khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt cao, gần như trong suốt, diện tích bề mặt lớn, mềm dẻo, dễ thay đổi hình dạng,… được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực năng lượng. Hơn nữa, nhờ diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn điện tốt, Gr tạo thuận lợi cho quá trình xúc tác phản ứng trở nên dễ dàng, tăng khả năng hấp phụ chất màu nhạy quang của điện cực, qua đó nâng cao hiệu suất chuyển hóa của pin DSSC.

Do vậy, việc chế tạo vật liệu nanocomposite kết hợp Gr với Pt và Gr với TiO₂ được thực hiện nhằm tăng cường khả năng chuyển hóa năng lượng và giảm chi phí sản xuất pin. Cụ thể, việc kết hợp vật liệu Gr và Pt sẽ tiết kiệm tối đa vật liệu Pt khi sản xuất. Đối với TiO₂, sự kết hợp với Gr giúp hạn chế sự tái tổ hợp của điện tử và lỗ trống, làm tăng khả năng dẫn điện và hiệu suất của pin.

Sau quá trình nghiên cứu, nhóm đã hoàn thiện quy trình chuyển hóa hợp chất cấu thành vật liệu Gr-Pt và Gr-TiO₂ với sản phẩm thu được là vật liệu Gr-Pt chỉ chứa 53% khối lượng Pt, vật liệu Gr-TiO₂ chứa khoảng 60% Ti và có mật độ liên kết cao trong cấu trúc vật liệu.

Ảnh chụp SEM cắt ngang của điện cực anot Gr-TiO₂

Từ quá trình trên, nhóm tiếp tục tổng hợp điện cực catot từ vật liệu Gr-Pt và anot từ Gr-TiO₂ cho pin DSSC bằng phương pháp in lụa. Phương pháp này có ưu điểm là chi phí thấp, quy trình chế tạo đơn giản, có thể áp dụng phủ vật liệu lên diện tích lớn, thường được áp dụng trong các nghiên cứu chế tạo điện cực trong pin DSSC.

Bề mặt của catot sử dụng mẫu keo Gr-Pt.

Thử nghiệm theo dõi độ giảm hiệu suất với điều kiện chiếu sáng liên tục trong thiết bị Solar-box cho thấy, hiệu suất pin giảm không quá 2% sau khi được chiếu sáng trong 1.000 giờ. Điều này chứng tỏ rằng, pin DSSC được chế tạo từ vật liệu nanocomposite trên cơ sở graphene có khả năng làm việc ổn định trong khoảng thời gian dài và có tiềm năng phát triển khi được thương mại hóa.

Đại diện nhóm nghiên cứu cho biết, quy trình tổng hợp vật liệu Gr-Pt hay Gr-TiO₂ thành công góp phần thúc đẩy nghiên cứu các vật liệu chế tạo điện cực trong pin mặt trời. Bên cạnh đó, với hiệu quả làm việc của pin DSSC cũng có tiềm năng ứng dụng để chiếu sáng trong nhà và có thể mở rộng ứng dụng theo quy mô lớn hơn.

Nhìn chung, kết quả của công trình nghiên cứu đã mở ra một hướng phát triển hoàn toàn mới cho việc sản xuất pin quang năng từ vật liệu nanocomposite trên cơ sở graphene ở quy mô lớn với ưu điểm về chi phí nguyên vật liệu, khả năng sẵn sàng ở mức cao về nguồn nguyên liệu đầu vào cũng như nguồn nhân lực chuyên gia tại chỗ.

Được biết, trong suốt quá trình triển khai đề tài, nhóm chuyên gia Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-TPHCM đã phối hợp chặt chẽ với công ty TNHH Pacifico Energy Vietnam để triển khai các công đoạn như tiếp nhận quy trình tổng hợp vật liệu, và từ đó sản xuất thử nghiệm pin DSSC, cũng như thực hiện các đo điểm liên quan về chất lượng, hiệu suất của sản phẩm pin mặt trời hoàn thiện.