Mô Phỏng Cánh Bướm Giúp Tăng Gấp Đôi Công Suất Pin Mặt Trời

Khoảng cuối tháng 10/2017, các nhà khoa học đã sáng chế ra một loại tế bào quang điện hấp thu ánh sáng với hiệu năng gấp đôi lấy cảm hứng từ cánh bướm. Công nghệ mới hứa hẹn sẽ giúp cải tiến pin năng lượng mặt trời trong tương lai.

Trước đây, tế bào quang điện dùng trong các pin mặt trời luôn luôn là loại tế bào dày, được đặt cố định ở một góc để hấp thu ánh sáng mặt trời nhiều nhất có thể vào ban ngày. Loại tế bào mỏng tính theo kích cỡ nnm sáng hơn, nhẹ hơn tế bào dày, cũng có nhiều tiềm năng nhưng hiệu năng kém hơn nên chỉ được dùng trong đồng hồ và máy tính.

Theo kết quả nghiên cứu đăng tải trên tạp chí Science Advances, cấu trúc của đôi cánh bướm màu đen đã được các nhà nghiên cứu mô phỏng để tạo ra các tế bào quang điện mỏng có hiệu năng cao hơn. Loại tế bào mỏng mới rất dễ sản xuất và vượt trội hơn các loại cũ ở chỗ có thể hấp thu tốt ánh sáng mặt trời từ mọi góc độ.

Theo đó, nhóm nghiên cứu của kỹ sư sinh học Radwanul Siddique từ các học viện công nghệ California (Caltech) và Kalsruh (KIT) đã xây dựng một mô hình 3D cấu trúc nano của cánh bướm khi quan sát dưới kính hiển vi electron.

Trong mô hình, cánh bướm gồm nhiều lỗ tí hon, nhỏ hơn 1 phần triệu mét, được sắp xếp ngẫu nhiên giúp bướm hấp thu nhiệt và phát xạ ánh sáng. Các lỗ được xếp ngẫu nhiên về các yếu tố kích cỡ, sự phân phối, hình dạng. Các mô hình vi tính cho thấy vị trí và trật tự mới là các yếu tố quan trọng để các lỗ hấp thu ánh sáng. Sau đó, các chuyên gia sẽ ứng dụng cấu trúc nano để chế tạo tấm silicon hình dạng không cố định được hydro hóa với mục đích tạo các lỗ cùng loại với lỗ nhỏ trên cánh bướm. Thiết kế mới sẽ giúp các tấm silicon hấp thu ánh sáng gấp đôi các mẫu cũ.

Kết cấu các pin mặt trời loại mới khá đơn giản về mặt kỹ thuật, việc chế tạo chúng chỉ mất khoảng 5 đến 10 phút. Các lỗ được tạo ra bằng cách loại bỏ các bit của một hỗn hợp polymer nhị phân không hòa tan trong loại polymer dùng làm tấm silicon. Ưu điểm vượt trội của pin mặt trời mới sử dụng kỹ thuật của Siddique là sản sinh năng lượng trong cả ngày, chứ không chỉ vài giờ như hầu hết pin mặt trời hiện nay.

Theo giáo sư Mathias Kolle đến từ học viện công nghệ Massachusetts (MIT), sáng kiến là một cách tiếp cận xuất sắc khi nhìn ra được những khái niệm sinh lý học cơ sở và sao chép chúng trong một cấu trúc có cơ chế vật lý tương tự cánh bướm dù không giống lắm về hình dáng.

Nghiên cứu mới là một phần trong luận văn tiến sĩ của Siddique tại Đức và một số thành viên trong phòng thí nghiệm cũ của Mathias Kolle ở đó đã tìm được tài trợ để tiếp tục mở rộng nghiên cứu trên tế bào quan điện và đèn LED dùng năng lượng mặt trời.

Loài bướm được các chuyên gia chọn sao chép công nghệ là loài bướm phượng thân hồng phổ biến ở một số nước Châu Á như Ấn Độ, phía Bắc Myanmar, Trung Quốc, Thái Lan, Lào, Philipinnes và Việt Nam. Bướm phượng thân hồng có tên khoa học là Pachliopta aristolochiae, là một loài bướm đen với đầu đỏ, thân đỏ sẫm và đuôi hình thìa. Tên bướm được đặt theo mầu hồng của cánh. Đó cũng là lý do vì sao các nhà nghiên cứu phương Tây gọi đây là bướm hoa hồng (rose butterfly).

Bướm phượng thân hồng là sinh vật máu lạnh, cần nhiều ánh sáng mặt trời để bay nên đôi cánh màu đen đã tiến hóa để hấp thu tốt nhất có thể năng lượng mặt trời trong những thời kỳ lạnh giá. Các cấu trúc phức tạp đã tiến hóa của bướm phượng thân hồng là kết quả của sự chọn lọc qua hàng triệu năm và vẫn vượt trội hơn công nghệ hiện đại của con người.

Trước đó cũng đã có một công trình tương tự là nghiên cứu chế tạo thành công cấu trúc nano mô phỏng loài bướm xanh Peru của các nhà khoa học Đại học Quốc gia Úc (ANU) vào tháng 05/2017. Khám phá mới được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: năng lượng mặt trời, kiến trúc, công nghệ tàng hình.