Vật liệu mới biến ánh sáng, nhiệt, động năng thành điện cùng một lúc

Những nhà khoa học vừa phát hiện ra một loại khoáng vật có thể sản xuất điện từ nhiều nguồn phức hợp cùng một lúc, bao gồm: ánh sáng, nhiệt và động năng.

Khoáng vật này thuộc họ perovskite, có cấu trúc tinh thể giống với một loại gốm. Đây là lần đầu tiên những nhà nghiên cứu tìm ra loại vật liệu có tính chất đặc biệt này, vì nó có thể chuyển đổi ba nguồn thành năng lượng chỉ ở nhiệt độ phòng.

Tế bào quang điện perovskite được phát minh vào năm 2009. Những khoáng vật này được xem là vật liệu có tiềm năng lớn trong công nghệ tái tạo năng lượng. Tế bào quang điện perovskite vừa rẻ vừa hiệu quả hơn so với tế bào quang điện sillic truyền thống. Mức hiệu quả của nó đã gia tăng từ 3.8% năm 2009 lên 22.1% năm 2016. Điều này khiến nó trở thành công nghệ quang điện phát triển nhanh nhất cho đến bây giờ.

Nhưng năng lượng mặt trời có một vấn đề lớn: Điều gì sẽ xảy ra nếu khi không có đủ ánh sáng mặt trời, hay trời hoàn toàn không có nắng và phần lớn các thiết bị lại được sử dụng chủ yếu trong nhà?

Nhóm nghiên cứu của Trường đại học Oulu ở Phần Lan đã quyết định thí nghiệm với nhiều loại khoáng vật perovskite khác nhau. Họ muốn biết trong số chúng có loại nào có thể khai thác để sản xuất năng lượng từ các nguồn phức hợp được hay không? Cuối cùng họ đã tìm được một ứng cử viên tuyệt vời cho công việc này – KBNNO.

Những loại khoáng vật thông thường sẽ không bao giờ đủ hiệu quả để cung cấp năng lượng cho toàn bộ ngôi nhà của bạn như tế bào quang điện perovskite. Những nhà khoa học cho biết, nó có thể được dùng trong các thiết bị điện như điện thoại hay máy tính hoặc nhiều loại thiết bị thông minh khác – mà đang ngày càng chiếm nhiều vị trí trong nhà hay trên đường phố.

"Nghiên cứu mới này sẽ thúc đẩy sự phát triển của công nghệ IoT và thành phố thông minh. Bời vì nhờ có KBNNO, những cảm biến và thiết bị tiêu tốn nhiều năng lượng trong các công nghệ này không còn là mối lo nữa", Yang Bai – một trong những thành viên của nhóm nghiên cứu nói.

Lần đầu tiên phát hiện vật liệu KBNNO. (Ảnh: llya Grinberg).

Giống như tất cả perovskite, KBNNO là vật liệu sắt điện nên nó có những phân tử lưỡng cực điện nhỏ. Chúng hoạt động giống như cái compa. Khi compa bị nam châm tác động, mũi kim của nó sẽ quay theo một hướng cố định. Tương tự như vậy, khi vật liệu sắt điện thay đổi do tác động nhiệt độ, hai cực của nó sẽ chệch đi. Điều này tạo ra dòng điện tức thời. Hiện tượng này gọi là là hiện tượng hỏa điện.

KBNNO cũng là quang điện có lớp chặn (điện áp ở mặt tiếp giáp giữa hai chất khi có dòng ánh sáng đi qua) nên có thể tạo ra dòng điện khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời. Nó còn mang tính chất áp điện, do đó có thể chuyển các áp lực được gây ra bởi các chuyển động thành điện năng.

Trong các nghiên cứu trước, nhiều nhà khoa học đã nhận thấy khả năng quang điện có lớp chặn của KBNNO, thậm chí họ cũng đã có những manh mối về các tính chất khác của nó. Nhưng đặc tính của chúng lúc đó chỉ được bộc lộ trong nhiệt độ cực kì thấp, dưới mốc nhiệt độ đóng băng đến hàng trăm độ - nhóm nghiên cứu ở trường Oulu chỉ ra.

Khi kiểm tra những đặc tính của KBNNO tại nhiệt độ phòng, nhóm nghiên cứu thấy tính năng tạo ra năng lượng từ một nguồn đơn lẻ của nó vượt trội hẳn những loại perovskite khác. Hơn nữa, nó còn có thể tạo ra năng lượng từ cả ba nguồn ngay lập tức, điều này rất có ý nghĩa trong những tình huống khẩn cấp.

Những nhà nghiên cứu còn phát hiện ra cách để điều chỉnh hàm lượng KBNNO. Điều này giúp cải thiện độ nhạy của nó với nhiệt và áp lực. Từ đó những dự đoán về mức độ hiệu quả trong hoạt động của nó sẽ chính xác hơn.

"Rất có thể, những đặc tính của KBNNO sẽ được đẩy lên mức cao nhất. Các loại vật liệu chuyển các nguồn thành năng lượng điện thì đã có rất nhiều. Tuy nhiên đây là vật liệu đầu tiên tạo ra năng lượng tức thời từ cả ba nguồn. Cho nên bạn không cần phải giữ trong nhà nhiều thiết bị chuyển đổi điện năng", Bai nói.

Nhưng như thường lệ, từ lúc phát hiện các vật liệu mới cho đến lúc ứng dụng là một khoảng thời gian rất dài. Sẽ còn lâu để loại khoáng vật mới này được thương mại hóa. Nhưng theo các nhà khoa học, thì việc chúng ta gần như phát hiện ra tất cả các đặc tính của các khoáng vật trên Trái đất là một điều đáng mừng hơn.

Toàn bộ nghiên cứu đã được công bố trên Applied Physics Letters.