Các nhà khoa học Trung Quốc đã xây dựng và thử nghiệm trang trại điện mặt trời dưới biển đầu tiên trên thế giới, mở ra khả năng cung cấp năng lượng lâu dài cho các thiết bị hoạt động dưới nước.
Hệ thống sử dụng pin quang điện perovskite đã vận hành thành công ở độ sâu 10 m ngoài biển. Dàn pin chìm có thể sạc pin và cung cấp điện cho một tấm đèn LED, chứng minh rằng năng lượng mặt trời vẫn có thể được khai thác ngay cả trong điều kiện ánh sáng xanh lục - xanh lam yếu ớt dưới lòng đại dương.
Công trình do nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Vân Nam thực hiện, được công bố ngày 11/9 trên tạp chí Joule. Nghiên cứu giải quyết một trở ngại lâu nay đối với việc khai thác năng lượng mặt trời dưới nước: ánh sáng suy giảm rất nhanh khi đi sâu xuống biển, trong khi các loại pin mặt trời silicon thông thường không phù hợp với dải ánh sáng hẹp còn lại.
Ở độ sâu 10 m dưới mặt nước, chỉ khoảng 10% ánh sáng mặt trời có thể xuyên xuống. Trong đó, ánh sáng đỏ - dải mà pin silicon hoạt động hiệu quả nhất - gần như bị nước biển hấp thụ hoàn toàn.
Vì sao các nhà khoa học chọn pin perovskite?
Nhóm nghiên cứu sử dụng pin mặt trời perovskite halide chì với độ rộng vùng cấm khoảng 1,96 eV. Thông số này phù hợp với dải ánh sáng xanh lam - xanh lục còn tồn tại dưới nước.
Một ưu điểm của perovskite là vật liệu này có thể được điều chỉnh để hoạt động hiệu quả hơn trong điều kiện ánh sáng yếu. Tuy nhiên, môi trường nước biển lại đặt ra nhiều thách thức. Pin perovskite có thể mất ổn định do ăn mòn, áp suất, vấn đề đóng gói và nguy cơ rò rỉ chì.
Để khắc phục, nhóm nghiên cứu bổ sung polyhexamethylene guanidine hydrochloride (PHMG), một chất phụ gia hỗ trợ quá trình kết tinh nhằm tăng độ ổn định của pin trong nước biển.
“Các nghiên cứu trước đây về pin mặt trời dưới nước chủ yếu tập trung vào độ sâu rất nông, chỉ khoảng 2 m hoặc ít hơn, còn cách xa ứng dụng thực tế”, Wen-Hua Zhang, nhà nghiên cứu tại Đại học Vân Nam, cho biết trong báo cáo của Cell Press.
Theo ông, nghiên cứu mới là lần đầu tiên các nhà khoa học chứng minh khả năng vận hành thực tế của pin mặt trời chìm ở độ sâu khoảng 10 m.
Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm mô phỏng điều kiện ánh sáng ở độ sâu 10 m, một tế bào pin có diện tích chỉ 0,0895 cm² đạt hiệu suất chuyển đổi điện năng 34,71%.
Một mô-đun lớn hơn, có diện tích 28,79 cm², đạt hiệu suất 29,40%. Kết quả cho thấy ngay cả nguồn ánh sáng yếu dưới nước vẫn có thể được tận dụng tương đối hiệu quả.
Lớp bảo vệ giúp pin chịu được nước biển
Độ bền là một trong những điểm đáng chú ý nhất của nghiên cứu.
Nhóm nghiên cứu sử dụng cấu trúc đóng gói nhiều lớp để bảo vệ pin perovskite. Hệ thống này hoạt động như một lớp “áo giáp” chống nước, chịu áp suất và chống ăn mòn, gồm cao su butyl kết hợp với kính phủ, bên ngoài được phủ thêm một lớp nhựa epoxy trong suốt.
Trong môi trường nước biển mô phỏng, sau 1.000 giờ ngâm liên tục và được chiếu sáng ở độ sâu tương đương 10 m, thiết bị vẫn duy trì 99,58% hiệu suất chuyển đổi điện năng ban đầu.
Các tính toán tiếp theo cho thấy ở nhiệt độ 25 độ C và dưới điều kiện ánh sáng mô phỏng tương đương độ sâu 10 m, pin có tuổi thọ T80 khoảng 48.094 giờ.
T80 là thời gian để thiết bị vẫn duy trì được ít nhất 80% công suất ban đầu. Với kết quả trên, hệ thống về lý thuyết có thể duy trì 80% sản lượng điện sau khoảng 5,5 năm.
Nhóm nghiên cứu sau đó tiến hành thử nghiệm thực tế gần đảo Vĩ Châu trên Biển Đông. Các tế bào pin perovskite được tích hợp vào một robot dưới nước, cho phép hệ thống mang các mô-đun pin xuống những độ sâu khác nhau để sạc pin lithium-ion.
Sau 2 giờ được chiếu sáng, hệ thống tạo ra lượng điện tương đương 1.416 mWh ở độ sâu 2 m, 752 mWh ở độ sâu 6 m và 324 mWh ở độ sâu 10 m.
Hệ thống hoạt động đủ để thắp sáng một tấm đèn LED.
“Chúng tôi cũng đã mở rộng quy mô từ các tế bào pin diện tích nhỏ trong phòng thí nghiệm lên các mô-đun kích thước lớn”, Zhang nói. Theo ông, việc kết hợp kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm với các thử nghiệm thực địa là bằng chứng mạnh mẽ cho khả năng vận hành của công nghệ quang điện dưới nước.
Mở đường cho thiết bị tự cấp điện dưới biển
Nghiên cứu có thể mở ra hướng ứng dụng mới cho vật liệu perovskite, vốn lâu nay được xem là không phù hợp với môi trường ẩm ướt, đồng thời đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của các thiết bị hoạt động dưới nước.
Công nghệ này có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho cảm biến, thiết bị dò tìm, camera, hệ thống liên lạc, robot dưới nước và phương tiện lặn.
Thay vì phải thường xuyên thay pin hoặc kéo cáp cấp điện từ trên mặt nước, các mô-đun quang điện dưới biển có thể đóng vai trò như những trạm cung cấp năng lượng lâu dài cho các thiết bị hoạt động ở những khu vực khó tiếp cận.
Nhóm nghiên cứu cho rằng công nghệ này có thể mở đường cho việc triển khai thực tế các hệ thống quang điện perovskite dưới nước, hướng tới những hệ thống năng lượng biển có khả năng tự duy trì và các thiết bị dưới nước hoạt động tự chủ trong thời gian dài.
Theo SCMP
