Vật liệu lai mới tăng cường năng lượng cho ánh sáng yếu, cách mạng hóa các thiết bị quang điện tử

Pin điện mặt trời. Ảnh minh họa SciTech Daily

Trang SciTech Daily cho biết, một nhóm nhà khoa học và kỹ sư từ Đại học Texas ở Austin, Mỹ và các đồng nghiệp đã thành công phát triển một loại vật liệu mới có thể hấp thụ ánh sáng năng lượng thấp và chuyển hóa thành ánh sáng năng lượng cao hơn. Vật liệu mới được chế tạo từ những hạt nano silicon siêu nhỏ và những phân tử hữu cơ, có những tính chất tương tự như những phân tử sử dụng trong màn hình TV OLED.

Hỗn hợp vật chất mới di chuyển hiệu quả các electron giữa những thành phần hữu cơ và vô cơ của vật liệu. Những ưu điểm này có thể ứng dụng vào các tấm pin mặt trời, giúp chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng hiệu quả hơn, hình ảnh y tế chính xác hơn và kính nhìn đêm nét và xa hơn.

Chi tiết của vật liệu mới được giới thiệu trong một bài báo, xuất bản ngày 12/6 trên tạp chí Nature Chemistry.

Vật liệu mới hỗn hợp của vật liệu hữu cơ và vô cơ có thể hấp thụ ánh sáng năng lượng thấp và chuyển hóa thành ánh sáng năng lượng cao hơn. Ảnh Đại học Texas ở Austin

Sean Roberts, PGS Khoa Hóa tại UT Austin cho biết: “Quá trình này mang lại cho chúng tôi một phương thức thiết kế vật liệu hoàn toàn mới. Chúng tôi sử dụng hai chất cực kỳ khác nhau, silicon và các phân tử hữu cơ rồi liên kết lại đủ mạnh, tạo ra không chỉ là một hỗn hợp mà là vật liệu lai hoàn toàn mới với những đặc tính khác biệt với từng vật liệu trong cả hai thành phần”.

Vật liệu tổng hợp có thể gồm 2 hoặc nhiều thành phần áp dụng sẽ có những thuộc tính độc đáo khi kết hợp. Ví dụ, vật liệu tổng hợp sợi carbon và nhựa được sử dụng làm vật liệu nhẹ, bền và vững chắc cho cánh máy bay, xe đua và những thiết bị thể thao. Trong bài báo do PGS Roberts đồng tác giả, các thành phần vô cơ và hữu cơ được kết hợp đã thể hiện sự tương tác độc đáo với ánh sáng.

Trong số những tính chất của vật liệu là khả năng biến các photon bước sóng dài, thường được thấy trong ánh sáng đỏ, có xu hướng di chuyển hiệu quả qua các mô sinh học, sương mù và chất lỏng, được chuyển hóa thành các photon màu xanh hoặc tia cực tím bước sóng ngắn, loại thường được ứng dụng để chế tạo hàng loạt cảm biến hoặc cung cấp năng lượng cho hàng loạt phản ứng hóa học. Đặc tính này có nghĩa là vật liệu mới có thể hữu ích trong những công nghệ đa dạng chụp ảnh sinh học, in 3D bằng ánh sáng, cảm biến quang học được sử dụng cho ô tô tự lái di chuyển trong sương mù.

Roberts cho biết: “Phát hiện mới này giúp chế tạo những hệ thống, cho phép nhìn thấy vật thể trong vùng cận hồng ngoại. Đây là tính chất quan trọng cho những phương tiện tự hành, cảm biến quang điện tử và hệ thống kính nhìn đêm”.

Thu ảnh ánh sáng năng lượng thấp và chuyển hóa thành ánh sáng năng lượng cao hơn cũng có khả năng giúp tăng hiệu quả của pin mặt trời bằng cách cho phép các tế bào quang điện thu được ánh sáng cận hồng ngoại thường đi xuyên qua. Khi công nghệ được tối ưu hóa, hấp thu được ánh sáng năng lượng thấp sẽ làm giảm 30% kích thước của các tấm pin mặt trời và tăng hiệu suất nhờ có thể hấp thụ cả ánh sáng vào ban đêm.

Các thành viên của nhóm nghiên cứu còn bao gồm các nhà khoa học từ Đại học California Riverside , Đại học Colorado Boulder và Đại học Utah, đã tham gia nghiên cứu chuyển đổi loại ánh sáng này trong nhiều năm. Trong một bài báo trước, nhóm nhà khoa học đã thông báo kết quả liên kết thành công antraxen, một phân tử hữu cơ có thể phát ra ánh sáng xanh, với silicon, một vật liệu được sử dụng trong các tấm pin mặt trời và linh kiện bán dẫn.

Tìm giải pháp khuếch đại sự tương tác giữa những vật liệu này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới để thiết lập các cầu dẫn điện giữa những tinh thể nano antraxen và silicon. Nhờ liên kết hóa học mạnh làm tăng tốc độ chuyển dịch ion mà hai phân tử có thể trao đổi năng lượng, gần như tăng gấp đôi hiệu quả trong chuyển đổi ánh sáng năng lượng thấp hơn sang ánh sáng năng lượng cao hơn.

Theo Scitech Daily