[Technology] Đại học Ruhr tìm ra chìa khóa độ bền và hiệu suất của tế bào pin mặt trời sinh học


2289246_cyanobacteria.
Vi khuẩn lam (Cyanobacteria).

Các nhà nghiên cứu tại đại học Ruhr, Bochum, CHLB Đức đã vừa tạo ra một loại tế bào pin mặt trời nguồn gốc sinh học với khả năng sản sinh một dòng điện liên tục. Điều quan trọng là phương pháp của đại học Ruhr sẽ giúp loại trừ những tổn hại lên các tế bào quang hợp – một vấn đề từ lâu đã làm cản trở những nổ lực của giới khoa học trong việc khai thác năng lượng lấy ý tưởng từ thiên nhiên.

Mặc dù công nghệ này vẫn còn rất mới mẻ nhưng tế bào pin mặt trời sinh học có thể mang lại nhiều lợi thế hơn so với các hệ thống tế bào quang điện hiện nay. Tế bào pin mặt trời sinh học có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn và quan trọng là không phụ thuộc vào silicon cũng như các kim loại hiếm, đắt đỏ khác. Thế nhưng, hạn chế của các hệ thống tế bào pin mặt trời sinh học đến nay vẫn là yếu tố độ bền và năng lượng đầu ra chưa cao.

Những nổ lực trước đây nhằm khai thác quá trình quang hợp để tạo ra điện vẫn tập trung vào Z-Scheme. Z-Scheme là một quá trình quang khử trong đó năng lượng ánh sáng được chuyển đổi thành năng lượng hóa học trong 2 hệ thống quang hóa. Khi một loại thực vật chẳng hạn như tảo hoặc vi khuẩn lam hấp thụ một photon ánh sáng, một electron bên trong hệ thống quang hóa 2 (PS2) sẽ bị kích thích bởi photon và đạt được mức năng lượng cao. Electron bất ổn định này được dẫn truyền thông qua một loạt các phản ứng oxy hóa khử xuống chuỗi vận chuyển electron trước khi được nạp vào hệ thống quang hóa 1 (PS1).

Trên thực vật, hệ thống PS1 và PS2 khai thác năng lượng ánh sáng rất hiệu quả và cả 2 hệ thống đều đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi CO2 thành oxy và phụ phẩm sinh học. Tế bào pin mặt trời sinh học của RUB trái lại sẽ tạo ra điện thay vì phụ phẩm sinh học.

Lần đầu tiên, nhóm nghiên cứu tại RUB dẫn đầu bởi giáo sư Wolfgang Schuhmann và giáo sư Matthias Rogner đã tích hợp cả 2 protein quang hóa PS1 và PS2 vào một tế bào quang điện. Nhóm nghiên cứu đã cách ly 2 hệ thống quang hóa trong một vi khuẩn lam ưa nhiệt. Đây là loại vi khuẩn thường được tìm thấy trong các nguồn nước nóng tự nhiên và khả năng tồn tại trong các điều kiện siêu khắc nghiệt đã khiến các hệ thống quang hóa của vi khuẩn có độ ổn định cao. Hệ thống quang hóa của vi khuẩn sau đó được nhúng vào một vật liệu dẫn electron đặc biệt do chính nhóm nghiên cứu phát triển có tên hydrogel oxy hóa khử nhằm kết nối chúng với các điện cực của tế bào quang điện.

Tế bào pin mặt trời sinh học có cấu tạo gồm 2 khoang. Trong khoang thứ nhất, hệ thống quang hóa 2 phân giải các electron từ phân tử nước, tạo ra oxy. Các electron được dẫn truyền thông qua hydrogel oxy hóa khử đến điện cực trong khoang thứ nhất được kết nối với điện cực trong khoang thứ 2. Điện cực trong khoang thứ 2 tiếp tục dẫn các electron thông qua hydrogel oxy khóa khử khác đến hệ thống quang hóa 1. Tại đây, các electron được dẫn qua oxy, nước được tạo thành. Tuy nhiên, các hệ thống quang hóa chỉ có thể thực hiện quy trình này bằng năng lượng mặt trời. Do đó, nếu cho tiếp xúc với ánh sáng, một dòng điện liên tục sẽ được hình thành trong hệ thống khép kín.

Để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện, điện thế giữa 2 điện cực phải khác nhau. Vì vậy, các nhà nghiên cứu tại RUB đã triển khai các vât liệu hydrogel oxy hóa khử với điện thế khác nhau. Khác biệt điện thế sẽ xác định điện áp của tế bào quang điện sinh học và hiệu suất của nó. Hiện tại, tế bào pin mặt trời sinh học nói trên có hiệu suất khoảng vài nanowatt trên mỗi cm2.

Phương pháp của đại học Ruhr dường như đã khắc phục những vấn đề mà các nhà nghiên cứu đến từ đại học Georgia (UGA) hay đại học Stanford đã gặp phải trước đây. Cụ thể là các tế bào nhanh chóng bị hỏng chỉ sau vài giờ hoạt động.

Giáo sư Rogner nói: “Hệ thống có thể được xem là một nền tảng cho sự phát triển của các hệ thống tế bào tự nhiên và bán nhân tạo, trong đó quá trình quang hợp được sử dụng để khai thác năng lượng từ ánh sáng và tạo ra năng lượng thứ cấp như hydro.”

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s