TS Lực cùng cộng sự phát triển module pin năng lượng mặt trời uốn dẻo linh hoạt, có thể ứng dụng gắn trên vỏ máy bay không người lái, tàu vũ trụ và vệ tinh...

Pin mặt trời uốn dẻo là một module gồm nhiều vi tế bào quang điện (cell) kết nối với nhau bởi các điện cực kéo dài. Các cell được hình thành bởi nhiều lớp vật liệu xếp chồng lên nhau, trong đó quan trọng nhất là các lớp vàng và lớp GaAs/InGaP (vật liệu nhạy sáng) mỏng cỡ vài micromet. Đây là lớp vật liệu mỏng có chức năng chuyển đổi ánh sáng thành điện năng.

Theo TS Lực, các cell pin năng lượng mặt trời dạng tấm cứng có độ linh hoạt kém bởi chủ yếu sử dụng lớp vật liệu silicon, InGaP có độ giòn cao, dễ nứt gãy trong quá trình sử dụng. Đó là lý do họ phát triển module hoàn toàn mới bằng việc thiết kế lại cấu trúc vật liệu và thêm vào các lớp mới giúp tăng khả năng uốn dẻo linh hoạt trên các cell pin. "Giảm ứng suất uốn tối đa trên lớp vật liệu nhạy sáng sẽ làm giảm hư hại cho cell pin, giúp pin trở nên linh hoạt hơn", TS Lực giải thích.

Pin của nhóm được thiết kế gồm nhiều lớp vật liệu với độ trong suốt cao. "Cấu trúc vật liệu được thiết kế giúp cho ứng suất chính trên GaAs/ InGaP là nhỏ nhất gần như bằng không từ đó hầu như không gây hư hỏng đến lớp vật liệu nhạy sáng", anh nói. Điều này giúp giảm bán kính uốn dẻo của cell pin từ trên 10 mm xuống thấp hơn 4 mm, làm tăng tính linh hoạt trên cell pin mà không gây ra hư hại trên lớp GsAs. Đây chính là điểm đặc biệt của nghiên cứu.

Bên cạnh đó, bề mặt lớp PDMS trên cùng được thiết kế dạng các rãnh tam giác lồi cỡ 15~20 micromet để khúc xạ ánh sáng từ các hướng và thu nhận được nhiều ánh sáng mặt trời hơn. Thiết kế này đã tăng hiệu suất của pin từ 19,46% lên 21,77%. Điện năng được chuyển đổi từ quang năng so với các thiết kế bề mặt phẳng thông thường với kích thước 12x12 cell (43,56 cm2).

Nhóm nghiên cứu sử dụng mô phỏng số để có thể tính chính xác khả năng uốn dẻo và hiệu suất tế bào quang điện, yếu tố quan trọng để phát triển thương mại hóa sản phẩm.

Hiệu suất pin nâng cao cùng khả năng linh hoạt giúp loại pin này có thể lắp đặt trên mọi dạng bề mặt và tiết kiệm kinh phí đầu tư. Anh dẫn ví dụ các bề mặt có độ cao cong như vỏ máy bay trinh thám không người lái được lắp đặt pin uốn dẻo làm tăng diện tích tiếp xúc và hấp thụ ánh sáng, qua đó tăng tuổi thọ và hiệu suất năng lượng sử dụng.

Pin cũng được dùng trong các thiết bị điện tử thông minh gắn trên quần áo, balo hay các thiết bị đeo trên người, gắn trên thân vỏ máy bay không người lái, thiết bị do thám quân sự hoặc quan trắc, vỏ tàu vũ trụ và vệ tinh... "Pin năng lượng mặt trời cũng góp phần lớn vào bảo vệ môi trường vì thay thế điện năng từ các nguồn như nhiệt điện hay thủy điện", TS Lực cho hay.

Sau 5 năm thực hiện, nhóm đã làm chủ được công nghệ lõi nhằm tăng hiệu suất và mức độ uốn dẻo đến bán kính uốn là 3 (mm) và đang hoàn thiện để chuẩn bị sản xuất thương mại.

Sắp tới, nhóm của TS Lực sẽ kết hợp với Đại học Thủy Lợi và Đại học Bách khoa Hà Nội để mở rộng nghiên cứu ứng dụng pin năng lượng mặt trời uốn dẻo tại Việt Nam. "Chúng tôi hướng tới ứng dụng trong nông lâm nghiệp thông minh, thiết bị bay quan trắc môi trường, hoặc trên thiết bị điện tử trong thành phố thông minh giúp giảm phụ thuộc nguồn điện từ thủy điện hoặc nhiên liệu hóa thạch", anh nói.

TS Lê Xuân Lực là giảng viên Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử - Khoa Cơ khí - Trường Đại học Thủy lơi. Anh nhận bằng kỹ sư 2013 và thạc sĩ năm 2017 tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Anh bảo vệ luận án tiến sĩ năm 2021 tại ĐH Khoa học và Công nghệ quốc gia Seoul. Hiện anh theo nghiên cứu sau tiến sĩ tại khoa Nano IT Fusion Engineering, thuộc ĐH SeoulTech. TS Lực có 4 bài báo khoa học công bố trên các tạp chí SCIE, KCI, tham gia báo cáo tại 13 hội thảo khoa học quốc tế.

GS Choa Sung Hoon, nguyên trưởng khoa Nano IT Fusion Engineering, Đại học Khoa học và Công nghệ quốc gia Seoul, đánh giá TS Lực là nhà nghiên cứu trẻ nhiệt tình và tài năng, yêu thích giảng dạy, nghiên cứu khoa học. Ông nhận định hướng nghiên cứu về pin năng lượng mặt trời uốn dẻo là cần thiết, giúp đáp ứng nhu cầu thực tế trong phát triển công nghệ và thiết bị khoa học hiện nay. "Chúng còn có tính ứng dụng lớn trong nhiều ngành công nghệ nhất là ngành hàng không vũ trụ", GS Choa nói.

Khoa Cơ khí