UvietNet (08/4/2026): Các nhà khoa học không ngừng nỗ lực đẩy lùi các giới hạn của hiệu suất tế bào năng lượng mặt trời – tức tỷ lệ ánh sáng mặt trời có sẵn được chuyển hóa thành điện năng. Mới đây, một cách tiếp cận công nghệ hoàn toàn mới đã mang lại kết quả đáng kinh ngạc: "lượng tử lượng" (quantum yield) cao tới 130%.
 | |
| Ảnh minh họa: Thí nghiệm phân hạch đơn hạt đã thu được năng lượng với hiệu suất cao |
Tuy nhiên, có một lưu ý vô cùng quan trọng: đây là mức năng lượng trả về ở cấp độ lượng tử. Chúng ta không đang nói về một tấm pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng thành điện năng với tỷ lệ 130% (điều này vi phạm các định luật vật lý cơ bản). Thực chất, bước đột phá này nằm ở việc cải thiện hiệu suất xét về tần suất một sự kiện cụ thể xảy ra trên mỗi photon (hạt ánh sáng) mà hệ thống hấp thụ.
Làm Thế Nào Để Phá Vỡ Giới Hạn Hiệu Suất Năng Lượng Mặt Trời?
Để vượt qua rào cản 130%, phương pháp mới này thực hiện việc "chia tách" năng lượng thu được từ một photon ánh sáng duy nhất vào hai phần. Hai phần năng lượng này sau đó sẽ cung cấp năng lượng cho hai trạng thái kích thích (được gọi là exciton) bên trong vật liệu nhận.
Quá trình này được biết đến với tên gọi "phân tách trạng thái đơn" (singlet fission). Theo giải thích của nhóm nghiên cứu quốc tế đứng sau dự án, singlet fission giúp ngăn chặn tình trạng năng lượng dư thừa bị thất thoát dưới dạng nhiệt.
Chính sự thất thoát nhiệt này là một phần lý do khiến các tế bào quang điện thông thường thường đạt mức tối đa khoảng 33% xét về hiệu suất tổng thể – một hạn chế được biết đến rộng rãi với tên gọi giới hạn Shockley-Queisser.
"Chúng tôi có hai chiến lược chính để phá vỡ giới hạn này," nhà hóa học Yoichi Sasaki từ Đại học Kyushu, Nhật Bản, cho biết.
"Một là chuyển đổi các photon hồng ngoại có năng lượng thấp thành các photon khả kiến có năng lượng cao hơn. Phương pháp kia, cũng là điều chúng tôi khám phá ở đây, là sử dụng singlet fission để tạo ra hai exciton từ một exciton photon duy nhất."
Tetracene và Molybdenum: Những "Thành Phần Phép Thuật"
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một phân tử hữu cơ có tên là tetracene làm vật liệu phân tách, nơi singlet fission có thể diễn ra. Các đặc tính của tetracene khiến nó trở nên phù hợp để chia tách một gói năng lượng cao thành hai gói năng lượng thấp hơn thông qua quá trình kích thích electron.
Dù singlet fission không phải là một khái niệm hoàn toàn mới, nhưng nó mới chỉ là một nửa câu chuyện. Một rào cản lớn trong các thí nghiệm trước đây là làm sao để singlet fission có đủ thời gian hoạt động trước khi năng lượng bị thất thoát hoặc chuyển đi nơi khác.
Đây là lúc nguyên tố kim loại molybdenum (molipđen) xuất hiện, một lần nữa được lựa chọn nhờ các đặc tính đặc biệt của nó. Bằng cách trộn molybdenum với tetracene, nhóm nghiên cứu đã có thể "bắt" các exciton đã bị chia tách bên trong hợp chất molybdenum.
Ở cấp độ lượng tử siêu nhỏ, molybdenum hoạt động như một "spin-flip emitter" (vật phát xạ đảo spin). Ban đầu, nó khóa năng lượng lại, sau đó sử dụng quá trình đảo spin lượng tử để chuyển các trạng thái vô hình thành ánh sáng. Điều này đã mang lại kết quả đột phá cho nhóm: 1,3 phức hợp kim loại dựa trên molybdenum được kích thích trên mỗi photon hấp thụ.
"Năng lượng có thể dễ dàng bị 'đánh cắp' bởi một cơ chế gọi là chuyển giao năng lượng cộng hưởng Förster (FRET) trước khi quá trình nhân đôi xảy ra," Sasaki giải thích.
"Do đó, chúng tôi cần một vật nhận năng lượng có khả năng nắm bắt một cách chọn lọc các exciton triplet đã được nhân đôi sau khi phân tách."
Triển Vọng và Những Thách Thức Phía Trước
Cần nhấn mạnh một lần nữa rằng đây mới chỉ là những thử nghiệm sơ khởi trong phòng thí nghiệm. Bước tiếp theo là chuyển đổi dung dịch lỏng được sử dụng ở đây thành dạng rắn có thể lắp vừa vào một tấm pin mặt trời một cách tin cậy và hiệu quả – điều mà chính các nhà nghiên cứu cũng thừa nhận sẽ là một thách thức không hề nhỏ.
Ngoài ra, còn có vấn đề làm sao để các phức hợp molybdenum giữ được năng lượng đủ lâu để nó trở nên hữu ích, cũng như việc nắm bắt nó ngay từ đầu. "Quá trình phân rã" này cũng là một nội dung khác mà nghiên cứu đề cập đến.
Tuy nhiên, những lo ngại thực tế trong tương lai không nên làm giảm đi sự phấn khích mà nghiên cứu này mang lại: Nó vạch ra một con đường rõ ràng hướng tới các tấm pin mặt trời có thể vượt xa các giới hạn hiệu suất của ngày nay. Có nhiều cách để tinh chỉnh và thử nghiệm với bằng chứng khái niệm này (proof-of-concept) trong thời gian tới.
Trong bối cảnh năng lượng mặt trời là một phần thiết yếu trong nỗ lực giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và làm chậm quá trình biến đổi khí hậu, việc có thể cải thiện đáng kể tỷ lệ chuyển đổi trên các tấm pin mặt trời sẽ mang lại tiềm năng chuyển đổi cho ngành công nghiệp năng lượng – đặc biệt là khi kết hợp với các cơ chế lưu trữ năng lượng mới.
"Công trình này đại diện cho một bước tiến quan trọng hướng tới việc phát triển các vật liệu khuếch đại exciton/photon bằng cách kết hợp vật liệu singlet fission với các phức hợp kim loại chuyển tiếp, thúc đẩy ứng dụng của singlet fission vượt ra khỏi các hạn chế thông thường," các nhà nghiên cứu viết trong bài báo của họ.
Nghiên cứu đã được công bố trên Journal of the American Chemical Society.
Thế Anh.
Tổng hợp.