Pin Mặt Trời Lá Cây

pin mat troi la cay

Lịch sử và ý tưởng chế tạo Pin Mặt Trời Lá Cây

Cơ chế hấp thụ Năng Lượng Mặt Trời để tạo ra các hạt mang điện và chất hữu cơ trong lá cây

pin mat troi la cay

a. Phản ứng quang hợp trong lá cây

Có thể nói, cây xanh là một “nhà máy sản xuất năng lượng tự nhiên” phức tạp nhưng hoàn hảo để thu Năng Lượng Mặt Trời và chuyển đổi thành hóa năng tích trữ trong cây nhờ các phản ứng quang hợp. Các “nguyên liệu” chính của “nhà máy cây xanh” gồm Năng Lượng Mặt Trời, nước (H2O), khí Các-bô nic (CO­2) và các khoáng chất có trong đất. Thông qua các phản ứng quang hợp, chủ yếu xảy ra trên các lá cây, mà cây cối đã chuyển đổi Năng Lượng Mặt Trời và các “nguyên liệu” khác thành các sản phẩm giàu năng lượng như đường gluco (C6H12O6) và khí Oxi (O2). Bộ phận chính trong cây thực hiện phản ứng quang hợp và các sản phẩm của nó là chất diệp lục (chlorophyll) và một vài sắc tố khác – dưới đây gọi chung là chất nhạy màu – tập trung ở các lá cây. Chất nhạy màu phân bố ở giữa hai lớp biểu bì trên và dưới của lá. Phần này còn gọi là thịt lá chứa các tế bào nhu mô chứa lục lạp còn gọi là lục mô, nơi đây diễn ra hầu hết quá trình quang hợp của cây.

Phản ứng xảy ra trong quá trình quang hợp ở lá cây là một chuỗi phản ứng rất phức tạp, nhưng có thể viết tóm tắt như sau:

CO2 + H2O + Năng Lượng Mặt Trời  → C6H12O6 + O2 + H2O

Có thể nói rằng, nhờ quá trình quang hợp ở cây xanh mà sự sống trên hành tinh này mới tồn tại và phát triển. Tất cả động vật trên Trái đất này đều lấy thức ăn từ cây xanh một cách trực tiếp hay gián tiếp và hô hấp nhờ có oxy.

b. Cơ chế tạo ra các hạt mang điện trong phản ứng quang hợp

Ánh sáng mặt trời gồm các phần tử năng lượng rất nhỏ gọi là photon. Mỗi photon mang một năng lượng xác định phụ thuộc vào màu sắc của ánh sáng ứng với photon đó. Dưới ánh sáng mặt trời các phân tử chất nhạy màu trong lá cây hấp thụ năng lượng của photon và chuyển sang trạng thái năng lượng cao, gọi là trạng thái kích thích, và giải phóng ra các điện tử và lỗ trống. Nhờ các điện tử được giải phóng này chuyển động tới các phân tử chất khác trong lá cây mà tạo ra các sản phẩm là các chất cơ sở để cây tổng hợp đường gluco và oxi.

Các nhà khoa học đã nghiên cứu và “bắt chước” cách mà lá cây thu Năng Lượng Mặt Trời và kích thích các phân tử chất nhạy màu, tạo ra các hạt mang điện tự do và từ đó có thể sản xuất điện năng.

Pin Mặt Trời Lá Cây

Pin Mặt Trời lá cây là một trong vài loại Pin Mặt Trời hữu cơ đang được quan tâm phát triển hiện nay.

Như đã nói ở trên, trong quá trình quang hợp, các phân tử chất nhạy màu hấp thụ năng lượng mặt trời, chuyển lên trạng thái kích thích và tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống liên kết rất yếu với nhau và do đó dễ dàng trở thành các hạt tải điện tự do. Nếu bằng một cách nào đó, tách các điện tử ra và điều khiển chúng chuyển động có hướng thì sẽ tạo ra dòng điện. Và như vậy đã có thể biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng.

Nguyên lý cấu tạo của pin mặt trời lá cây

Như cho thấy trên hình 2, pin gồm hai điện cực trong suốt TCO (Transparent Conducting Oxide). Mặt trong của một điện cực (trên hình 2 là điện cực trái) phủ một lớp Titan dioxide (TiO2) có chức năng hấp thụ ánh sáng và tiếp nhận điện tử. Chất nhạy màu, có thể chiết suất từ lá cây tự nhiên hay được tổng hợp nhân tạo, được gắn vào bề mặt TiO2. Tiếp đến là một dung dịch điện ly có chứa cặp chất oxi hóa – khử là các ion Iodide I3- và I- có nhiệm vụ hoàn trả lại điện tử cho chất nhạy màu. Điện cực còn lại (cực dương) được phủ một lớp Platin (Pt) làm chất xúc tác cho các phản ứng oxi hóa – khử giữa các Ion I3- và I-.

pin mat troi la cay
Hình 2: Nguyên Lý Cấu Tạo và Hoạt Động của Pin Mặt Trời Lá Cây

Nguyên lý hoạt động của pin

Tia mặt trời chiếu xuyên qua điện cực âm (bên trái) tới phân tử chất nhạy màu đang ở trạng thái năng lượng thấp HOMO (Highest Occupied Molecular Opital). Phân tử này hấp thụ Năng lượng mặt trời, bị kích thích và giải phóng một điện tử ở trạng thái năng lượng cao LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Opital) và để lại một lỗ trống ở HOMO như mô tả trên hình 3.

pin mat troi la cay
Hình 3. Sơ đồ các mức năng lượng của các hoạt chất trong PMT lá cây và các chuyển mức năng lượng khi pin hoạt động.

Vì các trạng thái năng lượng vùng dẫn của TiO2 nằm ngay sát phía dưới LUMO nên điện tử vừa được giải phóng ở trạng thái LUMO dễ dàng chuyển vào vùng dẫn điện của TiO2 và khuếch tán tới điện cực âm của pin. Tiếp đó điện tử chạy qua dây dẫn mạch ngoài, qua bóng đèn và đến cực dương. Khi điện tử đến điện cực dương, nhờ chất xúc tác Platin Pt, Ion I3- kết hợp với điện tử (e-) vừa chuyển sang để tạo ra Ion I- theo sơ đồ I3- + 2e- → I-. Sau đó Ion I- trả lại cho trạng thái HOMO của chất nhạy màu một điện tử theo sơ đồ I- → 2 e- + I3- (hình 2). Như vậy, điện tử đã đi được một vòng kín trong pin và tạo ra điện năng ở mạch ngoài làm bóng đèn sáng. Dòng điện cứ tiếp tục như vây chừng nào còn có ánh sáng mặt trời chiếu tới chất nhạy màu. Như vậy là Pin Mặt Trời lá cây cũng có thể thu và biến đổi Năng Lượng Mặt Trời thành điện năng như Pin Mặt Trời Si.

Hiện nay Pin Mặt Trời lá cây vẫn còn ở giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm và hoàn thiện nhằm nâng cao hơn nữa hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Hiệu suất cao nhất đã đạt được là 11%.

Ưu nhược điểm của Pin Mặt Trời lá cây

Các ưu điểm nổi bật của Pin Mặt Trời lá cây bao gồm:

(1) Pin Mặt Trời lá cây mô phỏng theo các quá trình của tự nhiên để khai thác Năng Lượng Mặt Trời và chuyển đổi thành điện năng. Vì vậy, quá trình sản xuất năng lượng này là thân thiện với môi trường.

(2) So với các Pin Mặt Trời vô cơ màng mỏng khác có hiệu suất từ 5% đến 13% thì Pin Mặt Trời lá cây có hiệu suất khá cao (hiện nay đã đạt 11% và chắc chắn sẽ còn đạt hơn nữa khi công nghệ hoàn thiện).

(3) Trong Pin Mặt Trời lá cây, điện tử được sinh ra khi chất nhạy màu hấp thụ Năng Lượng Mặt Trời được chuyển ngay sang vùng dẫn của TiO2 mà không tạo ra lỗ trống trong TiO2 nên xác suất tái hợp rất nhỏ so với Pin Mặt Trời Si và vì vậy, hiệu suất thu Năng Lượng Mặt Trời hứa hẹn có thể cao hơn Pin Mặt Trời Si. Ngoài ra, Pin Mặt Trời lá cây còn có thể sản xuất điện năng với hiệu suất cao hơn so với Pin Mặt Trời Si trong điều kiện chỉ có ánh sáng tán xạ như ánh sáng ở trong nhà hoặc trong các ngày trời mây mù.

Nhược điểm lớn nhất của PMT lá cây là sử dụng dung dịch điện ly lỏng và phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ cao, dung dịch dãn nở dễ gây ra dò rỉ. Còn khi nhiệt độ xuống thấp, dung dịch bị đông đặc lại hay đóng băng làm cho pin hoạt động khó khăn, thậm chí không hoạt động được. Vì nhược điểm cơ bản này mà hiện nay các nhà khoa học đang nghiên cứu tìm các dung dịch điện ly rắn hay ở dạng keo đặc để thay thế dung dịch lỏng.

(Nguồn: Năng Lượng Việt Nam Online)

You Might Also Like