Các nhà khoa học tại Đại học Công nghệ Nanyang (NTU), Singapore vừa phát triển thành công pin mặt trời perovskite siêu mỏng, bán trong suốt, có thể tích hợp trực tiếp lên cửa sổ kính mà vẫn tạo ra điện. Hướng đi mới cho các tòa nhà kính
Một trong những thách thức lớn nhất của năng lượng mặt trời tại các đô thị là thiếu không gian để lắp đặt các tấm pin truyền thống. Diện tích mái nhà thường không đủ lớn, trong khi việc bố trí các trang trại điện mặt trời đòi hỏi quỹ đất rộng mà các thành phố gần như không còn.
Từ thực tế đó, nhóm nghiên cứu của Đại học Công nghệ Nanyang (NTU) đã lựa chọn một hướng tiếp cận hoàn toàn khác: Biến chính các bề mặt kính của công trình thành nơi sản xuất điện.
Công nghệ mới sử dụng các tế bào quang điện perovskite siêu mỏng với lớp vật liệu hấp thụ ánh sáng chỉ dày khoảng 10 nanomet, tức mỏng hơn khoảng 10.000 lần sợi tóc người và mỏng hơn khoảng 50 lần so với pin mặt trời perovskite thông thường. Dù có độ dày rất nhỏ, vật liệu vẫn duy trì hiệu suất chuyển đổi năng lượng thuộc nhóm cao nhất từng được ghi nhận đối với các công nghệ cùng loại.
Điểm nổi bật của công nghệ này là pin vẫn có thể tạo ra điện trong khi cho phép ánh sáng xuyên qua, giúp cửa sổ gần như không thay đổi về hình thức. Điều này mở ra khả năng tích hợp trực tiếp vào cửa sổ, mặt dựng kính, mái kính, cửa sổ trời hay các loại kính thông minh mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến kiến trúc công trình.
Khác với pin silicon truyền thống hoạt động hiệu quả nhất dưới ánh nắng trực tiếp, pin perovskite vẫn có khả năng phát điện trong điều kiện ánh sáng khuếch tán hoặc ánh sáng yếu. Đây là lợi thế đáng kể tại các đô thị nhiều nhà cao tầng, nơi ánh sáng thường bị che khuất bởi các công trình lân cận. Thay vì chỉ tận dụng phần mái, toàn bộ mặt đứng bằng kính của tòa nhà về lý thuyết đều có thể sản xuất điện.
Tiềm năng lớn nhưng vẫn còn thách thức
Trong quá trình thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã chế tạo nhiều mẫu với độ dày khác nhau. Phiên bản bán trong suốt sử dụng lớp perovskite dày 60 nanomet đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng khoảng 7,6%, đồng thời vẫn cho phép khoảng 41% ánh sáng nhìn thấy truyền qua.
Mặc dù còn thấp hơn mức trên 20% của các tấm pin silicon thương mại hiện nay, kết quả này được đánh giá là rất đáng chú ý khi xét đến trọng lượng gần như bằng không, khả năng hoạt động trong điều kiện ánh sáng yếu và tính thẩm mỹ của vật liệu.
Một ưu điểm khác nằm ở quy trình sản xuất. Thay vì sử dụng các dung dịch hóa học như nhiều nghiên cứu trước đây, nhóm NTU áp dụng công nghệ bay hơi nhiệt trong môi trường chân không. Phương pháp này cho phép tạo ra các lớp vật liệu có độ đồng đều cao, kiểm soát chính xác độ dày, hạn chế yếu điểm cấu trúc và phù hợp hơn với sản xuất công nghiệp quy mô lớn.
Theo nhóm nghiên cứu, nếu công nghệ được thương mại hóa, chỉ riêng mặt tiền kính của một tòa tháp như One World Trade Center tại New York cũng có thể tạo ra hàng trăm MWh điện mỗi năm, đủ cung cấp điện cho khoảng 40 hộ gia đình trung bình tại Mỹ.
Trong bối cảnh các tòa nhà hiện chiếm khoảng 40% tổng mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu, việc biến các bề mặt kính thành nguồn phát điện có thể góp phần quan trọng vào mục tiêu giảm phát thải và phát triển đô thị xanh.
Tuy nhiên, công nghệ vẫn còn phải vượt qua rào cản lớn nhất của pin mặt trời perovskite là độ bền. Loại vật liệu này vẫn nhạy cảm với độ ẩm, nhiệt độ, oxy và tia cực tím, khiến tuổi thọ trong điều kiện vận hành thực tế chưa đạt yêu cầu thương mại.
Bên cạnh đó, việc mở rộng quy mô sản xuất từ các mẫu thử trong phòng thí nghiệm lên hàng nghìn mét vuông kính cho các công trình cũng cần lên kế hoạch dài hạn.
Tuy vậy, công nghệ là một bước tiến quan trọng hướng tới thế hệ vật VLXD có khả năng tự tạo ra năng lượng. Nếu những thách thức về độ bền và sản xuất quy mô lớn được khắc phục, các mặt dựng kính của cao ốc, cửa sổ, kính thông minh hoàn toàn có thể vừa thực hiện chức năng thông thường, vừa trở thành những nguồn phát điện sạch phân tán ngay trong môi trường đô thị.
