Dũng Virgo
Các nhà khoa học Trung Quốc đã đưa pin mặt trời perovskite xuống vùng nước sâu khoảng 10 mét để kiểm tra khả năng tạo điện trong điều kiện ánh sáng suy giảm mạnh. Thử nghiệm cho thấy hệ thống có thể sạc pin lithium-ion và cung cấp điện cho bảng đèn LED, mở ra hướng phát triển nguồn năng lượng tự chủ cho robot, cảm biến và thiết bị hoạt động dưới nước.
Nghiên cứu do nhóm thuộc Đại học Vân Nam thực hiện, được công bố ngày 11/9 trên tạp chí Joule. Theo nhóm tác giả, đây là lần đầu một hệ thống quang điện sử dụng vật liệu perovskite được chứng minh có thể vận hành thực tế ở độ sâu khoảng 10 mét dưới biển.
Vì sao tạo điện dưới biển là bài toán khó?
Khác với các tấm pin đặt trên mặt đất hoặc ngoài khơi, thiết bị quang điện dưới nước phải làm việc trong môi trường có lượng ánh sáng giảm nhanh theo độ sâu. Nước biển đồng thời hấp thụ các dải ánh sáng khác nhau, khiến phổ ánh sáng còn lại ở dưới biển thay đổi đáng kể.
Ở độ sâu khoảng 10 mét, chỉ một phần nhỏ ánh sáng Mặt Trời có thể xuyên xuống. Đáng chú ý, ánh sáng đỏ gần như bị nước biển hấp thụ hoàn toàn. Đây lại là dải quang phổ mà nhiều loại pin mặt trời silicon truyền thống khai thác hiệu quả. Vì vậy, việc sử dụng nguyên vật liệu vốn tối ưu cho điều kiện trên mặt đất không đem lại kết quả tương tự khi đưa xuống nước.
Bên cạnh vấn đề thiếu sáng, thiết bị còn phải chịu tác động của nước, áp lực, nguy cơ ăn mòn và khả năng rò rỉ qua lớp bảo vệ. Với vật liệu perovskite, độ ổn định khi tiếp xúc với nước cũng là một trong những trở ngại lớn cần giải quyết trước khi có thể ứng dụng lâu dài.
Perovskite được điều chỉnh để tận dụng ánh sáng xanh và xanh lục
Để thích nghi với môi trường dưới nước, nhóm nghiên cứu sử dụng pin mặt trời perovskite halide chì có độ rộng vùng cấm khoảng 1,96 eV. Đặc tính này giúp vật liệu hấp thụ hiệu quả hơn phần ánh sáng xanh lam và xanh lục còn lại ở độ sâu lớn, thay vì phụ thuộc nhiều vào ánh sáng đỏ như một số công nghệ pin truyền thống.
Nhóm cũng bổ sung polyhexamethylene guanidine hydrochloride, thường được viết tắt là PHMG, vào cấu trúc vật liệu. Hợp chất này được sử dụng nhằm cải thiện độ ổn định của pin khi làm việc trong điều kiện ẩm ướt và khắc nghiệt.
Phần đóng gói được thiết kế theo nhiều lớp, gồm cao su butyl, kính và nhựa epoxy. Cấu trúc này có nhiệm vụ hạn chế nước xâm nhập, đồng thời bảo vệ mô-đun trước áp lực và sự ăn mòn của môi trường biển. Đây là yếu tố quan trọng bởi hiệu suất của một tế bào quang điện không chỉ phụ thuộc vào vật liệu hấp thụ ánh sáng, mà còn vào khả năng duy trì hoạt động sau thời gian dài ngâm nước.
Hiệu suất đạt gần 30% trong điều kiện mô phỏng
Trong thử nghiệm mô phỏng ánh sáng tương đương với môi trường ở độ sâu 10 mét, một tấm pin có diện tích chưa đến 0,09 cm² đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng 34,71%. Mô-đun lớn hơn, có diện tích 28,79 cm², đạt hiệu suất 29,40%.
Sự khác biệt giữa hai kết quả phần nào cho thấy quy mô mô-đun có thể ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể. Tuy nhiên, mức gần 30% ở mô-đun lớn vẫn cho thấy ánh sáng yếu dưới nước có thể được khai thác tương đối hiệu quả bằng cách lựa chọn vật liệu và thiết kế phù hợp.
| Hạng mục thử nghiệm | Kết quả |
|---|---|
| Tế bào pin diện tích dưới 0,09 cm² | Hiệu suất 34,71% |
| Mô-đun diện tích 28,79 cm² | Hiệu suất 29,40% |
| Ngâm trong nước biển mô phỏng 1.000 giờ | Duy trì 99,58% hiệu suất ban đầu |
Độ bền của thiết bị cũng được đánh giá trong môi trường nước biển mô phỏng. Sau 1.000 giờ ngâm liên tục, hệ thống vẫn duy trì 99,58% hiệu suất chuyển đổi năng lượng ban đầu. Kết quả này cho thấy lớp bảo vệ và công thức vật liệu có thể hạn chế đáng kể tác động của nước trong giai đoạn thử nghiệm.
Robot lặn mang pin xuống vùng biển gần đảo Vi Châu
Sau các bài kiểm tra trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu triển khai mô-đun perovskite lên một robot lặn tại vùng biển gần đảo Vi Châu, còn được gọi là Weizhou. Hai tấm pin được robot vận chuyển và sử dụng để sạc pin lithium-ion ở các độ sâu khác nhau.
Trong hai giờ tiếp xúc với ánh sáng, lượng điện thu được thay đổi theo độ sâu:
- Ở độ sâu 2 mét, hệ thống thu được 1.416 mWh.
- Ở độ sâu 6 mét, sản lượng đạt 752 mWh.
- Ở độ sâu 10 mét, hệ thống thu được 324 mWh.
Các con số cho thấy sản lượng điện giảm khi robot di chuyển xuống sâu hơn, phù hợp với quy luật suy giảm ánh sáng trong nước. Dù vậy, hệ thống vẫn tạo đủ điện để sạc pin lithium-ion và thắp sáng một bảng đèn LED trong thử nghiệm thực tế.
Thử nghiệm này khác với việc chỉ đo hiệu suất của một tế bào pin riêng lẻ. Nó cho thấy công nghệ đã được kết hợp với thiết bị lưu trữ và nền tảng robot, qua đó cung cấp thêm bằng chứng về khả năng vận hành của một hệ thống hoàn chỉnh dưới biển.
Tiềm năng cấp điện cho robot và cảm biến dưới nước
Thiết bị hoạt động dưới biển thường phải phụ thuộc vào pin tích hợp hoặc cáp truyền điện từ bên ngoài. Dung lượng pin giới hạn khiến robot, camera và cảm biến phải nổi lên để sạc hoặc được thu hồi định kỳ. Cáp dài lại làm tăng độ phức tạp khi triển khai, đặc biệt tại khu vực có địa hình đáy biển không ổn định.
Nếu được phát triển thêm, các mô-đun pin perovskite có thể cung cấp nguồn điện bổ sung cho cảm biến môi trường, camera quan sát, thiết bị liên lạc, robot lặn và tàu lặn cỡ nhỏ. Những thiết bị này không nhất thiết cần công suất lớn liên tục; chúng có thể tích lũy điện trong thời gian dài rồi sử dụng cho các tác vụ như ghi dữ liệu, truyền tín hiệu hoặc chụp ảnh.
Mô hình này tương tự một trạm sạc năng lượng thấp dưới nước. Thay vì yêu cầu robot liên tục hoạt động ở công suất cao, hệ thống có thể nạp dần cho pin lithium-ion trong thời gian chờ. Cách tiếp cận đó đặc biệt phù hợp với các nhiệm vụ quan trắc kéo dài, nơi thiết bị cần duy trì hoạt động nhưng không thể thường xuyên nổi lên mặt nước.
Năng lượng Mặt Trời cũng đang được thử nghiệm trong nhiều phương tiện và thiết bị di động khác. Chẳng hạn, một mẫu xe cứu thương điện sử dụng năng lượng Mặt Trời cho thấy xu hướng tích hợp nguồn điện tái tạo vào các hệ thống cần vận hành độc lập. Tuy nhiên, môi trường dưới biển đặt ra yêu cầu cao hơn về vật liệu, đóng gói và độ tin cậy.
Khoảng cách từ thử nghiệm đến ứng dụng thực tế
Kết quả hiện tại là một bước chứng minh khả năng, chưa đồng nghĩa công nghệ đã sẵn sàng để triển khai đại trà dưới biển. Các thiết bị thương mại sẽ cần đáp ứng nhiều yêu cầu khác, như hoạt động ổn định trong thời gian dài hơn, chịu được dao động nhiệt độ, áp lực thay đổi và môi trường nước biển thực tế.
Quy mô mô-đun cũng là vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu. Một tế bào nhỏ có thể đạt hiệu suất cao, nhưng việc mở rộng diện tích thường kéo theo yêu cầu mới về kết nối, tản nhiệt, đóng gói và bảo vệ cơ học. Hệ thống cấp điện cho robot còn phải tính đến mức tiêu thụ của bộ điều khiển, mạch sạc, cảm biến và thiết bị truyền thông.
Ngoài ra, perovskite halide chì có chứa chì, vì vậy việc kiểm soát vật liệu khi thiết bị bị hư hỏng hoặc lớp đóng gói xuống cấp là một yêu cầu quan trọng. Trước khi thương mại hóa, công nghệ cần được đánh giá thêm về an toàn môi trường, khả năng bảo trì và phương án thu hồi thiết bị.
Dù còn nhiều bước phải hoàn thiện, thử nghiệm tại độ sâu 10 mét đã mở rộng giới hạn của pin mặt trời dưới nước. Việc vừa tạo điện, vừa sạc pin và cấp nguồn cho đèn LED cho thấy perovskite có thể trở thành một lựa chọn đáng chú ý cho các hệ thống tự chủ năng lượng trong môi trường biển.
Forgotten Island: Chuyến phiêu lưu hoạt hình đậm chất Philippines
Tây Du Ký nguyên tác: Vì sao có thể thành phim kinh dị?
Tilly Norwood lảm nhảm tiếng Trung khi phỏng vấn trực tiếp
Kenya thử xe cứu thương điện chạy bằng năng lượng Mặt Trời
Ba phút bên lừa, ngựa lùn có thể giúp người trẻ bình tĩnh hơn
Digit 5 biết quỳ xuống để tránh va chạm với con người
Trung Quốc thử lối đi mới đến chip dưới 3 nm với DUV và GAA
