Một nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Vật lý Hà Phối thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc vừa công bố phương pháp mới giúp tăng hiệu suất pin mặt trời lên hơn 10% nhờ tối ưu hóa cấu trúc nano của vật liệu quang điện.

Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã phát triển thành công kỹ thuật điều chỉnh khoảng cách giữa các nanorod titan dioxide (TiO₂) mà không làm thay đổi kích thước cá thể của chúng. Các nanorod đơn tinh thể này vốn nổi bật về khả năng hấp thụ ánh sáng và dẫn điện, được sử dụng phổ biến trong pin mặt trời, cảm biến và chất xúc tác quang.

Vấn đề kỹ thuật trước đây là việc điều chỉnh mật độ nanorod thường kéo theo sự thay đổi đồng thời về chiều cao và đường kính, gây ảnh hưởng đến hiệu suất thiết bị. Để khắc phục điều này, nhóm nghiên cứu đã mở rộng giai đoạn thủy phân trong quá trình tạo màng tiền chất. Việc kéo dài giai đoạn này giúp hình thành các chuỗi gel dài hơn, tạo ra các hạt anatase nhỏ hơn. Khi màng anatase được xử lý thủy nhiệt, các hạt này chuyển hóa tại chỗ thành rutile – là hạt mầm cho quá trình phát triển nanorod.

Bằng cách này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra các màng TiO₂ với đường kính và chiều cao nanorod không đổi, trong khi vẫn kiểm soát được mật độ phân bố. Khi tích hợp các màng này vào pin mặt trời CuInS₂ (được xử lý ở nhiệt độ thấp), hiệu suất chuyển đổi năng lượng thu được lên đến 10,44%.

Để giải thích cơ chế hoạt động, nhóm tác giả đưa ra mô hình “mật độ thể tích - bề mặt” (Volume-Surface-Density model), phân tích mối liên hệ giữa mật độ nanorod và khả năng hấp thụ ánh sáng, tách dòng điện và thu hồi hạt tải. Mô hình này cho thấy việc điều chỉnh khoảng cách giữa các cột nano không chỉ ảnh hưởng đến quang học mà còn giúp giảm thất thoát năng lượng, tăng khả năng thu nhận điện tích, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của thiết bị.

Ngoài việc ứng dụng trong pin mặt trời, kỹ thuật này cũng mở ra triển vọng trong lĩnh vực quang điện tử và xúc tác, nơi mà cấu trúc nano đóng vai trò quyết định hiệu suất hoạt động. Nhờ kiểm soát được quá trình hình thành cấu trúc ở mức vi mô, phương pháp mới góp phần quan trọng vào việc phát triển các vật liệu có tính năng cao mà không cần các công nghệ chế tạo đắt đỏ hay phức tạp.

Nghiên cứu này không chỉ cung cấp giải pháp cải tiến pin mặt trời mà còn đưa ra một hệ thống hoàn chỉnh liên kết giữa điều kiện chế tạo, tiến trình hình thành cấu trúc vi mô và tối ưu hóa hiệu suất thiết bị, một đóng góp đáng kể cho công nghệ năng lượng sạch trong tương lai.