Thông thường, năng lượng mặt trời được thu bằng silicon – cũng chính là vật liệu bán dẫn được sử dụng trong các thiết bị điện tử hàng ngày, nhưng tấm pin mặt trời silicon có những nhược điểm, chẳng hạn như giá thành cao và khó lắp ráp trên bề mặt cong.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển các vật liệu thay thế để thu năng lượng mặt trời nhằm giải quyết những nhược điểm trên. Một trong những vật liệu hứa hẹn nhất trong số này được gọi là chất bán dẫn “hữu cơ” (gốc carbon). Chất bán dẫn gốc carbon có nhiều trên Trái đất, rẻ hơn và thân thiện với môi trường.

Chúng có khả năng làm giảm chi phí sản xuất tấm pin mặt trời vì những vật liệu này có thể được phủ lên các bề mặt tùy ý bằng các phương pháp dựa trên dung dịch, giống như cách chúng ta sơn tường. Vật liệu hữu cơ có thể được điều chỉnh để hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng đã chọn, có thể được sử dụng để tạo ra các tấm pin mặt trời trong suốt hoặc các tấm pin có nhiều màu sắc khác nhau. Những đặc điểm này làm cho các tấm pin mặt trời hữu cơ đặc biệt phù hợp để sử dụng trong các tòa nhà xanh và bền vững thế hệ tiếp theo.

Trong khi chất bán dẫn hữu cơ đã được sử dụng trong bảng hiển thị của các thiết bị điện tử tiêu dùng như điện thoại di động, TV và tai nghe thực tế ảo, chúng vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trong các tấm pin mặt trời thương mại. Một nhược điểm của pin mặt trời hữu cơ là hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành điện thấp, chỉ khoảng 12% so với pin mặt trời silicon đơn tinh thể có hiệu suất là 25%.

Nhưng sự phát triển gần đây của một loại chất bán dẫn hữu cơ mới được gọi là NFA (Non-Fullerene Acceptor) đã thay đổi mô hình này. Các tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ được tạo ra bằng NFA có thể đạt hiệu suất gần tới mức 20%.

Mặc dù có hiệu suất vượt trội, cộng đồng khoa học vẫn chưa rõ tại sao loại NFA mới này lại vượt trội hơn đáng kể so với các chất bán dẫn hữu cơ khác. Trong một nghiên cứu xuất hiện trên tạp chí Advanced Materials, các nhà khoa học đã phát hiện ra một cơ chế vi mô đóng góp một phần hiệu suất vượt trội đạt được bởi NFA.

Chìa khóa cho khám phá này là các phép đo được thực hiện bằng cách sử dụng một kỹ thuật thử nghiệm được gọi là “phổ quang phát xạ hai photon phân giải theo thời gian” hoặc TR-TPPE. Phương pháp này cho phép theo dõi năng lượng của các electron bị kích thích với độ phân giải thời gian dưới pico giây (ít hơn một phần nghìn tỷ của một giây).

Trong các phép đo này, các nhà nghiên cứu quan sát thấy một số electron bị kích thích quang học trong NFA có thể thu được năng lượng từ môi trường thay vì mất năng lượng vào môi trường. Quan sát này trái ngược với trực giác vì các electron bị kích thích thường mất năng lượng vào môi trường giống như một tách cà phê nóng mất nhiệt vào môi trường xung quanh.

Quá trình bất thường này xảy ra ở quy mô vi mô nhờ vào hành vi lượng tử của các electron, cho phép một electron bị kích thích xuất hiện đồng thời trên một số phân tử. Sự kỳ lạ lượng tử này kết hợp với Định luật Nhiệt động lực học thứ hai, cho rằng mọi quá trình vật lý sẽ dẫn đến sự gia tăng tổng entropy (thường được gọi là “rối loạn”) để tạo ra quá trình tăng năng lượng bất thường.

Trong hầu hết các trường hợp, một vật nóng truyền nhiệt cho môi trường lạnh xung quanh của nó vì sự truyền nhiệt dẫn đến sự gia tăng tổng entropy. Nhưng với các phân tử hữu cơ được sắp xếp theo cấu trúc nano, hướng điển hình của dòng nhiệt bị đảo ngược để tổng entropy tăng lên. Dòng nhiệt đảo ngược này cho phép các exciton trung tính hấp thụ nhiệt từ môi trường và phân ly thành một cặp điện tích dương và âm. Các điện tích tự do này có thể tạo ra dòng điện.

Dựa trên những phát hiện thực nghiệm của mình, nhóm nghiên cứu đề xuất rằng cơ chế phân tách điện tích do entropy thúc đẩy này cho phép các tế bào quang điện hữu cơ được tạo ra bằng NFA đạt được hiệu suất tốt hơn nhiều. Chi tiết tham khảo tại:

1. Kushal Rijal, Neno Fuller, Fatimah Rudayni, Nan Zhang, Xiaobing Zuo, Cindy L. Berrie, Hin‐Lap Yip, Wai‐Lun Chan. Endothermic Charge Separation Occurs Spontaneously in Non‐Fullerene Acceptor/Polymer Bulk Heterojunction. Advanced Materials, 2024; DOI: 10.1002/adma.202400578.

2. University of Kansas. "Researchers show promising material for solar energy gets its curious boost from entropy." ScienceDaily. ScienceDaily, 10 July 2024. <www.sciencedaily.com/releases/2024/ 07/240710130750.htm>.