Pin năng lượng mặt trời làm từ… rau chân vịt

Nguồn ánh sáng mặt trời vô tận chính là mục tiêu quan trọng của các hệ thống pin mặt trời hay hệ quang hợp nhân tạo mà loài người đang hướng tới trước sự cạn kiệt được dự báo trước của các nguồn tài nguyên hóa thạch. Trước đây Genk từng giới thiệu tới bạn đọc hệ thống quang hợp nhân tạo của Panasonic. Bây giờ chúng ta lại biết thêm một thành quả khoa học khác trong nỗ lực tìm kiếm năng lượng thay thế của loài người. Đó là hệ thống pin hybrid sinh học từ protein trong rau chân vịt (rau spinach).

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Vanderbilt do David Cliffel và Kane Jennings dẫn đầu đã tạo ra cách để kết hợp silicon với một protein được tìm thấy trong rau chân vịt, qua đó sản xuất được pin năng lượng mặt trời “hybrid sinh học”. Giải pháp này có thể giúp sản sinh ra dòng điện tốt hơn so với các nỗ lực trước đây và mở ra cơ hội về các tấm pin mặt trời rẻ hơn, hiệu quả hơn.

Hàng triệu năm tiến hóa đã làm cho quang học trở thành một quá trình cực kỳ hiệu quả để tạo ra năng lượng, nhưng phát triển các hệ thống quang hợp nhân tạo ứng dụng cho các hệ thống phát điện vẫn tồn tại một số khó khăn nhất định.

Trong hơn 40 năm qua, các nhà khoa học đã nghiên cứu một loại protein quang điện phức hợp PS1. Loại protein này có thể giữ nguyên chức năng khi không ở bên trong của tế bào thực vật sống và đặc biệt là có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện với hiệu suất gần 100%, vượt xa hiệu suất hiện nay của các tấm pin năng lượng mặt trời nhân tạo. Bên cạnh đó, pin năng lượng mặt trời hữu cơ được làm bằng vật liệu rẻ và sẵn có đã trở thành lý do khiến PS1 thu hút được rất nhiều sự quan tâm từ giới khoa học. Trong khi các nhà khoa học đã tìm thấy cách hiệu quả để chiết xuất PS1 từ lá cây và đã ứng dụng thành công để tạo ra pin biohybridcó thể sản sinh ra dòng điện khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời thì lượng điện năng các tấm pin này có thể sản xuất trên mỗi inch vuông vẫn còn kém xa các pin quang điện thương mại hiện nay. Ngoài ra, hiệu suất hoạt động của loại pin mặt trời này suy giảm nhanh chóng theo thời gian sử dụng.

Nếu như các nỗ lực trước đây cố gắng thêm PS1 vào kim loại thì Vanderbilt đã tạo ra bước đột phá khi sử dụng PS1 đổ lên tấm silicon để tạo ra pin mặt trời biohybrid với hiệu suất tốt hơn. Quy trình để sản xuất các tấm pin như vậy tương đối đơn giản. Bề mặt của một tấm wafer silicon được xử lý bằng một dung dịch nước của PS1 sau đó và sau đó được đặt trong một buồng chân không để làm bay hơi nước. Kết quả thu được là tấm pin protein có độ dày chỉ cỡ 100 phân tử.

Sự kết hợp của sillicon và PS1 đã loại bỏ các vấn đề công suất phát suy giảm khi đưa PS1 vào pin kim loại. Với silicon, kết quả thu được rất ấn tượng. Một centimet vuông tấm pin silicon/PS1 tạo ra 850 micro ampe điện ở mức 0,3 volts – tương ứng gấp hai lần và một nửa so với pin biohybrid trước đó. Nhóm nghiên cứu ước tính rằng một tấm pin ghép với độ dài xấp xỉ bằng hai bàn chân (0,6 m) sẽ đem lại dòng điện 100 milliampe và hiệu điện thế 1 volt, đủ để dùng cho một số thiết bị điện nhỏ. Không những thế, Loai pin này có tuổi thọ sử dụng khá cao. Trong khi các loại pin biohybrid cũ suy giảm đi trong một vài tuần, pin của Vanderbilt có thể hoạt động trong chín tháng mà không mất đi hiệu suất.

Các nhà nghiên cứu đã đăng ký bằng sáng chế cho công trình này và hy vọng sẽ áp dụng vào pin mặt trời để đưa vào sử dụng rộng rãi. Công trình của họ đã được đăng tải trên các tạp chí Advanced Materials.

Theo Genk