Tạo năng lượng mặt trời từ công nghệ tách phân tử nước

Các nhà khoa học thuộc Đại học Rice, Mỹ, vừa tìm ra một phương pháp hiệu quả giúp thu năng lượng mặt trời bằng cách tách các phân tử nước.

Công nghệ này dựa trên cấu hình của các hạt nano vàng được kích hoạt bởi ánh sáng; các hạt nano này thu ánh sáng mặt trời và chuyển năng lượng mặt trời thành các electron ở trạng thái bị kích thích cao độ, thường được gọi là các “electron nóng”.

Isabell Thomann, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết: “Electron nóng có khả năng tạo nên những phản ứng hóa học rất hữu ích, nhưng năng lượng của chúng lại bị phân rã nhanh chóng nên việc kiểm soát năng lượng của chúng là rất khó khăn. Chẳng hạn, nguyên nhân chính dẫn đến tổn thất năng lượng ở các tấm pin quang điện mặt trời hiện nay là do các electron nóng nguội đi chỉ trong vòng vài phần nghìn tỷ giây, khiến năng lượng của chúng bị giải phóng ra ngoài.”

Do vậy, việc thu những electron năng lượng cao này trước khi chúng nguội đi có thể giúp các nhà cung cấp năng lượng mặt trời nâng cao đáng kể hiệu suất chuyển năng lượng mặt trời thành năng lượng điện.

Trong các hạt nano được kích hoạt bởi ánh sáng do nhóm nghiên cứu của Thomann thực hiện, ánh sáng được thu lại và chuyển thành các plasmon, tức các dao động của electron vận động như một chất lỏng ngang qua bề mặt kim loại của hạt nano. Plasmon là trạng thái năng lượng cao có thời gian tồn tại ngắn song các nhà khoa học ở Rice và một số nơi khác trên thế giới đã tìm ra cách thu năng lượng plasmon để chuyển hóa thành điện năng hoặc quang năng hữu dụng. Hạt nano plasmon cũng là một phương tiện hứa hẹn kiểm soát năng lượng của các electron nóng.

Nhóm nghiên cứu của Thomann đã tạo ra được một hệ thống sử dụng năng lượng từ electron nóng để tách các phân tử nước thành Oxy và Hydro. Đây là một kết quả quan trọng bởi Oxy và Hydro là nguyên liệu cơ bản của các tế bào nhiên liệu, tức các thiết bị điện hóa học giúp tạo ra nguồn điện năng sạch và hiệu quả.

Để sử dụng được electron nóng, trước tiên nhóm nghiên cứu phải tìm cách tách chúng khỏi các “lỗ electron”, tức các trạng thái năng lượng thấp mà chúng đã rời khỏi khi nhận được nguồn năng lượng kích thích. Một lý do khiến electron nóng có thời gian tồn tại ngắn là chúng có xu hướng giải phóng nguồn năng lượng mới nhận được để quay trở lại trạng thái năng lượng thấp. Cách duy nhất để ngăn chặn xu hướng này xảy ra là tạo ra một hệ thống có thể nhanh chóng tách electron nóng khỏi các lỗ electron. Thông thường, các nhà khoa học sẽ đẩy electron nóng qua một hàng rào năng lượng có vai trò như một chiếc van một chiều. Theo Thomann, phương pháp này có nhiều điểm không hiệu quả song vẫn được các nhà khoa học quan tâm bởi nó áp dụng một công nghệ đã được kiểm chứng gọi là hàng rào Schottky. Nhóm của bà, thay vì đẩy electron nóng đi, lại tạo ra một hệ thống để đẩy các lỗ electron đi. Hệ thống này đóng vai trò giống một cái rây hoặc màng chắn: các lỗ electron có thể lọt qua đó nhưng electron nóng thì không, và do đó chúng được duy trì ở trên bề mặt các hạt nano plasmon.

Thomann cho biết: “Khi sử dụng công nghệ tách nước bằng electron nóng để tạo năng lượng mặt trời, chúng tôi thấy dòng quang điện có hiệu suất tương đương với những hệ thống khác phức tạp hơn và sử dụng những thành phần đắt tiền hơn. Chúng tôi tự tin cho rằng mình có thể tối ưu hóa hệ thống này để cải thiện đáng kể những kết quả hiện nay.”