Hệ thống “spin-flip” có thể giúp hiệu suất lượng tử của pin mặt trời vượt ngưỡng 100%

Để hiểu rõ tầm quan trọng của phát minh này, cần nhìn vào hạn chế của công nghệ hiện tại. Các cell pin quang điện silic phổ biến hiện nay thường chỉ chuyển đổi được khoảng 20% ánh sáng mặt trời thành điện năng. Nguyên nhân chính là do sự không tương thích giữa năng lượng của photon và ngưỡng electron của vật liệu bán dẫn, tạo ra một rào cản vật lý gọi là giới hạn Shockley-Queisser. Theo đó, các photon hồng ngoại có năng lượng thấp không đủ để giải phóng electron, trong khi các photon ánh sáng xanh có năng lượng quá cao lại gây lãng phí phần năng lượng dư thừa dưới dạng nhiệt. Giới hạn này áp đặt một “mức trần” hiệu suất khoảng 33% cho các tế bào quang điện đơn lớp tiêu chuẩn.
Trong điều kiện thông thường, một photon khi va chạm với vật liệu bán dẫn sẽ kích thích một electron, tạo ra một đơn vị năng lượng hữu dụng duy nhất gọi là exciton. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tại Đại học Kyushu đã đặt câu hỏi: Liệu một photon có thể tạo ra nhiều hơn một exciton? Câu trả lời nằm ở hiện tượng phân hạch đơn tuyến, một quá trình mà một exciton năng lượng cao sẽ tách thành 2 exciton năng lượng thấp hơn. Phó Giáo sư Yoichi Sasaki giải thích rằng chiến lược này cho phép tận dụng các photon năng lượng cao để nhân đôi số lượng hạt mang điện, thay vì để chúng thất thoát thành nhiệt năng.
Mặc dù khái niệm phân hạch đơn tuyến không mới nhưng thách thức lớn nhất luôn là việc thu giữ các exciton bổ sung này trước khi chúng bị các cơ chế cạnh tranh như chuyển năng lượng cộng hưởng Förster (FRET) “đánh cắp”. Để giải quyết vấn đề, các nhà khoa học đã tạo ra một bộ phát spin-flip dựa trên molybdenum. Trong quá trình hấp thụ và phát xạ, một electron trong phức hợp này sẽ lật ngược spin của nó, một đặc tính độc đáo giúp nó chọn lọc và tiếp nhận các exciton từ quá trình phân hạch đơn tuyến trong khi bỏ qua quá trình FRET gây lãng phí năng lượng.
Kết quả thu được là hiệu suất lượng tử đạt mức 130%, nghĩa là trung bình cứ 100 photon được hấp thụ thì có tới 130 exciton được thu hoạch thành công. Cần lưu ý rằng con số 130% này không phải là hiệu suất chuyển đổi năng lượng tổng thể – vốn không thể vượt quá 100% để tránh vi phạm các định luật vật lý – mà là thước đo số lượng hạt mang điện trên mỗi photon. Các chuyên gia ngoài cuộc, như Giáo sư Jin Zhang từ Đại học California - San Diego, cũng xác nhận rằng hiệu suất lượng tử hoàn toàn có thể cao hơn 100% nếu được định nghĩa dựa trên khả năng giải phóng nhiều hạt mang điện từ cùng một lượng ánh sáng hấp thụ.
Đột phá này mang lại một lộ trình khả thi để giải quyết vấn đề hiệu suất kém của pin mặt trời hiện nay, đặc biệt là trong việc xử lý các photon ánh sáng xanh. Thay vì để năng lượng dư thừa biến thành nhiệt, hệ thống mới sẽ phân tách chúng thành 2 exciton hữu dụng, từ đó tăng cường dòng điện đầu ra. Ước tính thực tế cho thấy công nghệ dựa trên phân hạch đơn tuyến có thể đẩy hiệu suất của các tấm pin thương mại lên mức 35-45% trong điều kiện lý tưởng, tức là gần gấp đôi so với hiện tại. Hiện tại, nghiên cứu công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm trong dung dịch ở cấp độ phân tử. Sẽ cần thêm nhiều nỗ lực nghiên cứu nữa mới có thể đưa công nghệ này từ môi trường thí nghiệm vào các cell quang điện thể rắn nhưng tiềm năng mà nó mang lại cho tương lai năng lượng sạch là vô cùng hứa hẹn.