Tế bào quang điện thế hệ mới giúp "nuôi" các thiết bị IoT trong nhà

Trong thời buổi công nghệ phát triển như vũ bão ngày nay, có thể nhận thấy các thiết bị kết nối IoT đã trở nên gần gũi hơn trong cuộc sống của con người. Ngày càng nhiều những thiết bị IoT giúp căn nhà của bạn trở nên thông minh hơn, tiện dụng hơn bao giờ hết. Tuy vậy, sự thống trị của những thiết bị IoT này cũng làm dấy lên không ít mối quan ngại từ giới khoa học, khi mà hầu hết thiết bị đều cần nguồn năng lượng chính từ pin để hoạt động. Việc sử dụng pin từ hàng tỷ thiết bị IoT là yếu tố đe dọa môi trường khi nói đến lượng pin không còn sử dụng được nữa sẽ phải ra bãi rác.

May mắn là các nhà khoa học trên khắp thế giới vẫn không ngừng tìm tòi nghiên cứu và họ cũng đã có một giải pháp đầy tiềm năng, đó chính là sử dụng các tế bào quang điện có thể lấy năng lượng từ chính nguồn sáng trong nhà để “nuôi” các thiết bị thông minh có khả năng kết nối Internet nói trên.

Như chúng ta đã biết, vật liệu sử dụng trong các tế bào quang điện của pin mặt trời truyền thống chủ yếu là silicon kết tinh. Loại tế bào quang điện này có nhược điểm là chỉ cho hiệu suất tốt khi hoạt động dưới ánh sáng mặt trời cường độ mạnh. Đương nhiên, loại pin mặt trời truyền thống này sẽ không thể cung cấp đủ năng lượng điện khi phơi sáng dưới các loại bóng đèn thường dùng trong gia đình. Đương nhiên, hạn chế này sẽ không cho phép sử dụng các tế bào quang điện silicon kết tinh nói trên để cung cấp điện cho các thiết bị IoT trong gia đình.

Trước hạn chế này, các nhà khoa học từ Ý, Đức và Colombia đã phát triển một loại tế bào quang điện perovskite thế hệ mới chuyên dùng trong nhà. Trong những thử nghiệm gần đây, các tấm pin mặt trời perovskite mỏng như những tấm phim của nhóm các nhà khoa học trên đã chứng minh cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng hơn 20% dưới nguồn sáng 200 Lux, vốn là giá trị tương đương với độ sáng của các nguồn sáng là bóng điện dùng trong gia đình.

Thomas Brown - người đứng đầu dự án nghiên cứu này cho biết, loại pin mặt trời perovskite thế hệ mới khi dùng trong nhà cho hiệu quả gấp ba lần so với các loại pin đa tinh thể silicon. Ông rất kỳ vọng vào việc tích hợp các tế bào quang điện siêu mỏng nhẹ thế hệ mới vào các thiết bị như bộ báo cháy, bộ điều nhiệt, camera an ninh hay các loại cảm biến có mức tiêu thụ điện năng thấp. Vì một khi các tế bào quang điện thế hệ mới của nhóm nghiên cứu được kết hợp với các thiết bị có khả năng lưu trữ điện năng sẽ giúp giảm, hoặc thậm chí loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng pin cho các thiết bị IoT.

Pin mặt trời thế hệ mới siêu mỏng, có thể uốn cong sử dụng tế bào quang điện perovskite được nhóm nghiên cứu của Thomas Brown phát triển

Được biết, gần đây nhóm nghiên cứu của Thomas Brown tại Ý đã chế tạo thành công tế bào quang điện perovskite siêu mỏng với khả năng uốn cong linh hoạt theo quy trình nhiệt độ thấp. Nhóm nghiên cứu của ông cũng đã tiến hành thử nghiệm “phơi sáng” các tế bào quang điện này với nhiều loại nguồn sáng có cường độ khác nhau trong nhà. Kết quả cho thấy những mẫu thử chưa đóng gói cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng ban đầu đạt 80% sau 100 ngày. Tuy vậy, sau thời điểm trên, hiệu suất của các mẫu thử pin mặt trời này giảm nhanh chóng. Giới quan sát cho rằng, đây có thể xem là trở ngại cho việc ứng dụng các pin mặt trời perovskite thế hệ mới vì các tế bào quang điện cần phải tồn tại ít nhất 5-10 năm, để tương xứng với khoảng thời gian người dùng nâng cấp các thiết bị IoT mới.

Trái ngược với nhóm nghiên cứu của Thomas Brown thì Marina Freitag - nhà hóa học nhiều năm nghiên cứu về quang điện và hiện là nghiên cứu viên của Đại học Hiệp hội Hoàng gia (Anh Quốc) cho rằng, pin mặt trời perovskite không phải là tất cả. Nhóm nghiên cứu mà cô dẫn dắt đang phát triển pin mặt trời chất màu nhạy quang (còn được gọi là pin mặt trời Gratzel) dựa trên chất điện phân phức đồng. Mẫu thử nghiệm của nhóm nghiên cứu Marina Freitag có khả năng chuyển đổi 34% ánh sáng môi trường thành điện năng với cường độ ánh sáng thử nghiệm 1.000 Lux. Trong thử nghiệm với đèn huỳnh quang 200 Lux, pin mặt trời của nhóm Marina Freitag cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng đạt mức 31,4%. Sở dĩ cô và nhóm nghiên cứu của mình không chọn phát triển pin mặt trời perovskite là vì nhiều năm kinh nghiệm cho thấy pin mặt trời chất màu nhạy quang dù có hiệu quả chuyển đổi năng lượng kém khi sử dụng ngoài trời, nhưng lại tỏ ra rất lợi thế khi dùng trong nhà, nơi các tế bào có thể duy trì điện áp cao và độ nhạy sáng cao trong môi trường ánh sáng yếu.

Tế bào quang điện chất màu nhạy quang dựa trên chất điện phân phức đồng của nhóm nghiên cứu của Marina Freitag phát triển.

Marina Freitag tự tin cho rằng có thể trộn và kết hợp các loại thuốc nhuộm để phù hợp với quang phổ của ánh sáng trong nhà để những tế bào quang điện cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng tốt nhất. Nhóm nghiên cứu của cô cũng đang hợp tác với Đại học Kỹ thuật Munich (Đức) để phát triển các thiết bị IoT tự cấp nguồn có khả năng thu thập, truyền và xử lý dữ liệu khi có nhiều ánh sáng nhất. Các thiết bị này sẽ đủ thông minh để nghỉ luân phiên trong khi hoạt động, tránh dùng pin và giảm thiểu tiêu hao năng lượng.

Hiện tại, nhóm của Marina Freitag và cả nhóm các nhà khoa học dẫn dắt bởi Thomas Brown vẫn đang tiếp tục cải thiện tính ổn định và mở rộng của các loại pin mặt trời nói trên. Theo ước tính, thế giới sẽ có khoảng 75 tỷ thiết bị IoT vào năm 2025. Giới quan sát hiện rất kỳ vọng vào sự phát triển hoàn toàn của những công nghệ chế tạo tế bào quang điện mới này. Điều này hứa hẹn sẽ mở ra một tương lai mới cho việc chuyển đổi năng lượng cung cấp cho các thiết bị IoT từ trong chính ngôi nhà của bạn.