Một nhóm nghiên cứu tại Trường Cao học Khoa học và Công nghệ Hội tụ KU-KIST (Seoul) vừa công bố một giải pháp mới có khả năng hấp thụ gần như toàn bộ quang phổ mặt trời trong các hệ thống năng lượng dựa trên nhiệt. Công nghệ này dựa trên các quả cầu nano vàng tự lắp ráp được gọi là “siêu cầu keo plasmonic” và đã được đăng tải trên tạp chí ACS Applied Materials & Interfaces.
Hạn chế cố hữu của công nghệ hiện nay
Tại bất kỳ thời điểm nào, khoảng 89.000 terawatt năng lượng mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái đất, một con số khổng lồ vượt xa nhu cầu năng lượng toàn cầu hiện nay. Tuy nhiên, các công nghệ khai thác năng lượng mặt trời hiện hữu vẫn chưa tận dụng trọn vẹn nguồn tài nguyên này, chủ yếu do giới hạn trong khả năng hấp thụ toàn bộ phổ bức xạ gồm tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại.
Bức xạ mặt trời bao gồm khoảng 3 - 5% tia cực tím, 40 - 45% ánh sáng nhìn thấy và 50 - 55% bức xạ hồng ngoại. Pin mặt trời chủ yếu chuyển đổi ánh sáng nhìn thấy và một phần phổ cận hồng ngoại thành điện năng, trong khi phần lớn năng lượng hồng ngoại và cực tím không được khai thác hiệu quả.
Hệ thống năng lượng mặt trời tập trung (CSP) có thể thu nhận dải bước sóng rộng hơn, nhưng đòi hỏi hạ tầng quy mô lớn và vẫn phụ thuộc vào vật liệu hấp thụ chưa đạt mức tối ưu.
Ngay cả các bộ thu nhiệt mặt trời vốn được thiết kế để hấp thụ tốt ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại cũng thường bị giới hạn bởi lớp phủ bề mặt không đạt khả năng hấp thụ gần như tuyệt đối, đồng thời gặp các vấn đề như suy giảm hiệu suất nhiệt, độ nhạy góc hoặc chi phí sản xuất lớn.
Giải pháp của nhóm nghiên cứu bắt đầu từ một dung dịch keo chứa các hạt nano vàng. Trong môi trường dung dịch, các hạt này tự lắp ráp thành những quả cầu kích thước micromet, mỗi “siêu cầu” gồm hàng nghìn hạt nano liên kết chặt chẽ với nhau. Hỗn hợp sau đó được nhỏ giọt lên bề mặt gốm của máy phát điện nhiệt điện (TEG), tạo thành một lớp màng dày đặc, có cấu trúc vi mô đặc biệt giúp giữ lại ánh sáng mặt trời hiệu quả.
Điểm đặc biệt của công nghệ này nằm ở cách các hạt nano vàng “giữ” ánh sáng. Mỗi hạt nano vàng rất nhỏ, nhưng khi ánh sáng chiếu vào, các electron trên bề mặt của nó dao động mạnh. Sự dao động này giống như khi ta gõ vào một chiếc chuông và nó rung lên, hiện tượng đó được gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt.
Khi hàng nghìn hạt nano tập hợp lại thành một “siêu cầu”, ánh sáng không chỉ tương tác với từng hạt riêng lẻ mà còn bị phản xạ, tán xạ và dội lại nhiều lần bên trong cấu trúc hình cầu đó. Có thể hình dung như ánh sáng bị “mắc kẹt” trong một căn phòng đầy gương, khó thoát ra ngoài.
Nhờ hai cơ chế này, rung động mạnh ở bề mặt từng hạt và hiệu ứng giữ ánh sáng bên trong toàn bộ quả cầu. Do đó, các siêu cầu nano vàng có thể hấp thụ ánh sáng trên dải bước sóng rất rộng, từ tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy cho tới hồng ngoại. Thay vì để ánh sáng bị phản xạ trở lại môi trường, cấu trúc này chuyển phần lớn năng lượng ánh sáng thành nhiệt.
Nói một cách đơn giản, các “siêu cầu” này hoạt động như những cái bẫy ánh sáng siêu nhỏ, giữ lại gần như toàn bộ ánh nắng chiếu vào và biến nó thành nhiệt năng một cách hiệu quả.
Kết quả thực nghiệm cho thấy lớp phủ siêu cầu plasmonic có thể đạt khả năng hấp thụ khoảng 90% trên toàn phổ mặt trời. Nhờ vậy, hiệu suất thu giữ nhiệt tăng đáng kể, tạo ra dải nhiệt độ mạnh hơn và công suất đầu ra cao hơn gần 2,4 lần so với các lớp phủ hạt nano vàng thông thường.
Tối ưu hệ thống năng lượng dựa trên nhiệt
Công nghệ siêu cầu plasmonic không nhằm thay thế pin quang điện truyền thống, mà được thiết kế chủ yếu cho các hệ thống năng lượng mặt trời dựa trên nhiệt. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm máy phát điện nhiệt điện (TEG), bộ thu nhiệt mặt trời, hệ thống sưởi ấm thụ động và quản lý nhiệt.
Đáng chú ý, công nghệ này cũng mở ra triển vọng trong các hệ thống lai quang - nhiệt (PVT). Trong mô hình này, ánh sáng nhìn thấy được chuyển đổi thành điện năng thông qua tế bào pin mặt trời, trong khi các bước sóng còn lại, đặc biệt là hồng ngoại được “thu hoạch” dưới dạng nhiệt, nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.
Theo nhóm nghiên cứu, cấu trúc siêu cầu plasmonic cung cấp một giải pháp tương đối đơn giản để khai thác gần như toàn bộ phổ năng lượng mặt trời, đồng thời có thể giúp giảm đáng kể rào cản kỹ thuật đối với các hệ thống nhiệt mặt trời hiệu suất cao trong thực tiễn.
Bên cạnh hiệu năng quang - nhiệt vượt trội, một điểm hấp dẫn của công nghệ này là quy trình chế tạo tương đối đơn giản. Các siêu cầu được tạo thành thông qua xử lý dung dịch, sau đó phủ trực tiếp lên bề mặt thiết bị. Phương pháp này giúp giảm độ phức tạp sản xuất so với các lớp phủ đa lớp hoặc cấu trúc nano chế tạo bằng công nghệ lắng đọng chân không đắt đỏ.
Đồng thời, lớp phủ plasmonic tương thích với nhiều thiết bị năng lượng mặt trời hiện có trên thị trường, mở ra khả năng tích hợp nhanh chóng vào các hệ thống thương mại mà không đòi hỏi thay đổi lớn về hạ tầng.
Trong bối cảnh thế giới đang tìm kiếm các giải pháp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng tái tạo, nghiên cứu về siêu cầu nano vàng plasmonic cho thấy một hướng tiếp cận mới: không chỉ khai thác nhiều hơn ánh sáng mặt trời, mà còn tận dụng hiệu quả hơn toàn bộ phổ bức xạ.
Nếu được thương mại hóa thành công, đây có thể là bước tiến quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất các hệ thống nhiệt - quang, góp phần hiện thực hóa tiềm năng to lớn của nguồn năng lượng mặt trời toàn cầu.
