Các điểm Lượng tử (Quantum Dots) sẽ là những tế bào năng lượng mặt trời

Các tinh thể bán dẫn kích cỡ nano loại n và loại p đang mở đường cho các loại tế bào năng lượng mặt trời mới.

Chìa khóa để sử dụng silicon trong các thiết bị điện tử như các bóng bán dẫn (transistor) và các tế bào năng lượng mặt trời nằm ở chỗ việc pha tạp chất, hay thêm vào một số lượng nhỏ các nguyên tố khác, để tạo ra sự dư thừa các điện tử (n-type) hoặc lỗ tích điện dương (p-type) để thay đổi tính dẫn điện của vật liệu. Silicon loại n và loại p được ghép với nhau để tạo ra mối nối p-n, khối cấu trúc cơ bản của các thiết bị điện tử như các tế bào năng lượng mặt trời, đi-ốt phát sáng, và các bóng bán dẫn.

Các điểm pha tạp: Trong hình ảnh qua kính hiển vi điện tử này, những điểm lượng tử indi arsenide, kích cỡ 3,3 nanomet, được pha tạp với các nguyên tử bạc, tạo ra một vật liệu loại n giàu điện tử (electron). Ảnh: Science/ AAAS

Trong nhiều năm, các nhà nghiên cứu đã cố gắng làm điều gì đó tương tự với các điểm lượng tử, các tinh thể bán dẫn siêu nhỏ có đường kính một vài nanomet. Ngày nay, một nhóm các nhà nghiên cứu Israel đã báo cáo thành công. Họ đã pha tạp các điểm lượng tử indium arsenide để tạo ra vật liệu loại n và loại p. Tiến bộ này, đã được công bố trên tạp chí Science, có thể dẫn đến các loại tế bào năng lượng mặt trời dạng phim mỏng mới hiệu quả, rẻ tiền, và có thể in được.

Các điểm lượng tử hứa hẹn các tế bào năng lượng mặt trời có giá thành thấp vì chúng có thể được chế tạo bằng cách dùng các phản ứng hóa học đơn giản, rẻ tiền. Các nhà khoa học đã tính toán rằng các điểm lượng tử có thể được sử dụng để làm ra các tế bào quang điện dạng phim mỏng mà ít nhất hiệu suất của nó cũng tương đương với các tế bào silicon thông thường, và có khả năng sẽ hiệu quả hơn. Khả năng hiệu quả cao hơn là do các tinh thể nano được làm bằng chất bán dẫn nhất định có thể phát ra nhiều hơn một điện tử cho mỗi photon được hấp thụ. Thêm nữa, việc điều chỉnh kích thước và hình dạng của chúng sẽ làm thay đổi màu sắc ánh sáng mà chúng hấp thụ. ”Chúng tôi có thể điều chỉnh sự hấp thụ tinh thể nano phù hợp với quang phổ mặt trời”, phát biểu của ông Uri Banin, một giáo sư hóa học tại Đại học Hebrew ở Jerusalem, người chủ trì công việc mới này.

Mặc dù có những lợi thế như vậy, chưa ai thành công trong việc chế tạo có hiệu quả các tế bào năng lượng mặt trời kiểu điểm lượng tử này. Để được như vậy, bạn cần các tinh thể nano loại n và loại p, phát biểu của Eran Rabani, một giáo sư hóa học tại Đại học Tel Aviv, người cũng tham gia vào công việc mới này. Trong các tế bào năng lượng mặt trời, các electron và lỗ trống được tạo ra khi photon được hấp thụ phải được tách ra để các electron có thể di chuyển ra khỏi chất bán dẫn để đến mạch điện bên ngoài. Một số các điện tử và lỗ trống chắc chắn sẽ kết hợp với nhau, nhưng chúng kết hợp dưới dạng các điểm lượng tử sẽ nhanh hơn nhiều so với ở dạng tinh thể silic lớn. Việc pha tạp các tinh thể nano bán dẫn sẽ dẫn đường cho việc tạo ra các mối nối p-n nhằm để tách các điện tử và lỗ trống một cách hiệu quả, Rabani nói.

Silicon thường được pha tạp với các nguyên tử phốt pho hoặc bo, nhưng những vật liệu này không làm việc với các điểm lượng tử vì các điểm rất nhỏ. Một tinh thể nano có bề ngang 4-nanometer chứa khoảng 1.000 nguyên tử. Thêm một vài nguyên tử tạp chất có thể dẫn đển chúng bị trục xuất ra khỏi các tinh thể nano.

Một số nỗ lực pha tạp điểm lượng tử đã thành công. Chẳng hạn các nhà nghiên cứu đã pha tạp với các ion mangan từ, nhưng kỹ thuật này không nói là dư các điện tử hay lỗ trống. Nhóm khác có thể tạo các tinh thể nano loại n không cần pha tạp bằng cách bắn các electron vào chúng. Còn nhóm khác nữa đã có thể pha tạp các tinh thể nano dạng phim mỏng.

Nhóm Israel, ngược lại, có thể pha tạp các hạt nano đứng độc lập. ”Đây là một bước đột phá lớn”, phát biểu của ông Y. Charles Cao, một giáo sư hóa học tại Đại học Florida ở Gainesville. ”Ưu điểm chính ở đây là bạn [có] các khối cơ bản để lắp ráp từ dưới lên cho các thiết bị điện tử tinh thể nano.” Thêm nữa, Cao cho biết tiếp, là phương pháp được sử dụng để tạo ra các điểm là dễ dàng và không tốn kém và có thể được mở rộng để chế tạo thiết bị với số lượng lớn.

Banin và các đồng nghiệp của ông bắt đầu với một dung dịch dùng các hợp chất bạc hoặc đồng và dần dần thêm vào một dung dịch các tinh thể nano indi arsenide. Điều này cho ra các điểm loại n pha tạp bạc hoặc các điểm loại p pha tạp đồng. Vì các điểm lượng tử được thực hiện dưới dạng dung dịch, chúng có thể kết tủa trên các tấm nhựa dẻo bằng cách sử dụng máy in hoặc quy trình in ống (roll-to-roll process).