Phát triển lăng kính giúp pin Mặt trời nhận tối đa ánh sáng ở mọi góc

Công nghệ pin mặt trời bây giờ yêu cầu các solar cell phải hấp thụ ánh nắng một cách trực tiếp mới tạo ra được hiệu suất chuyển đổi cao nhất. Hệ quả nảy sinh là những hệ thống pin mặt trời gắn cố định chỉ có hiệu suất tối đa trong vài tiếng mỗi ngày. Nếu muốn tối ưu hiệu suất từ lúc mặt trời mọc đến khi mặt trời lặn, những tấm solar cell sẽ được trang bị hệ thống cơ học tự thay đổi góc nghiêng cho đúng vị trí ánh sáng chiếu vào. Giải pháp này vừa phức tạp, vừa tốn năng lượng để vận hành máy móc.

Đó là lúc nghiên cứu mới của các kỹ sư đại học Stanford, California, Mỹ sẽ giúp ích cho quá trình phổ biến và tăng tỷ lệ điện mặt trời sản xuất phục vụ con người.

Ánh sáng mặt trời ở mọi góc đều có thể được lăng kính thu lại với cường độ tối đa.

Kết quả nghiên cứu của họ là những lăng kính hình kim tự tháp ngược như trong hình trên. Ánh sáng mặt trời ở mọi góc đều có thể được lăng kính thu lại với cường độ tối đa, trước khi chiếu trực tiếp lên bề mặt các solar cell, để biến photon trở thành dòng electron nhờ hiệu ứng quang điện.

Nhóm kỹ sư đại học Stanford đặt tên lăng kính này là AGILE - Axially Graded Index Lenses, thay thế cho tấm kính phẳng bảo vệ những solar cell trong các tấm pin mặt trời. Thử nghiệm cho thấy lăng kính này hấp thụ được 90% lượng ánh sáng mặt trời chiếu lên bề mặt, rồi sau đó hội tụ lại chùm photon để cường độ ánh sáng tăng gấp 3 lần trước khi chạm tới solar cell. Nhờ đó, tấm pin ở góc nào cũng vận hành hiệu quả, kể cả trong những ngày thời tiết không lý tưởng.

Thành thấu kính là những mặt gương để phản xạ ngược lại ánh sáng.

Nhìn hình, lăng kính có cấu trúc tưởng chừng đơn giản, nhưng nó được tạo ra từ nhiều tầng polymer và thủy tinh chồng lên nhau, mỗi chất liệu lại có hệ số tán xạ khác nhau. Thành thấu kính là những mặt gương để phản xạ ngược lại ánh sáng, triệt tiêu hao phí năng lượng. Cũng nhờ kết cấu nhiều chất liệu như thế này, lăng kính hấp thụ được nhiều dải sóng ánh sáng khác nhau. Thử thách đầu tiên là chọn ra những chất liệu có hệ số tán xạ phù hợp, để khi ghép lại, chúng tạo ra lăng kính hoạt động hoàn hảo nhất. Một thử thách khác trong việc lựa chọn chất liệu là chúng đều phải có tỷ lệ nở nhiệt tương đồng để lăng kính không nứt vỡ.

Công trình nghiên cứu này vừa được đại học Stanford đăng trên tờ tạp chí Microsystems & Nanoengineering.

Cập nhật: 06/07/2022 Tinh tế