Năng lượng mặt trời rất dồi dào nên tất cả những gì chúng ta phải làm là khai thác nó. 30 năm trước, các tấm pin mặt trời chỉ có thể chuyển đổi chưa đến 2% ánh sáng mặt trời thành điện năng.

Vấn đề lưu trữ năng lượng mặt trời

Ngày nay, hiệu suất đối với hầu hết các tấm pin mặt trời thương mại đã được cải thiện cao gấp mười lần hoặc hơn. Vì vậy, chúng ta đã nắm khá rõ cách khai thác năng lượng mà mặt trời gửi đến cho chúng ta. Những gì chúng ta cần bây giờ là những cách tốt hơn để lưu trữ năng lượng mà chúng ta nhận được từ mặt trời để có thể sử dụng sau này.

Hầu hết điện được tạo ra bằng cách sử dụng hơi nước làm quay các máy phát điện lớn. Hơi nước có thể đến từ nhiệt tạo ra khi đốt than hoặc mê-tan hoặc thông qua phản ứng phân hạch hạt nhân. Trong lưới điện truyền thống, lượng điện có thể thay đổi để đáp ứng nhu cầu bằng cách thêm hoặc bớt máy phát điện, nhưng sản lượng của các máy phát điện đó hiếm khi biến động. Sản lượng từ các tấm pin mặt trời và tua-bin gió thay đổi liên tục và sự thay đổi đó là thách thức chính khi chúng ta chỉ dựa vào năng lượng tái tạo. Cần có thứ gì đó để hấp thụ điện năng dư thừa cho đến khi cần dùng.

Hầu hết thời gian qua, thứ đó là pin lithium-ion. Chúng hoạt động tốt trong khoảng thời gian từ hai đến bốn giờ, nhưng để lưu trữ lâu dài hơn, cần có các chiến lược khác. Thủy điện tích năng hoạt động tốt nhưng cần nhiều không gian và có thể khá tốn kém. Xếp chồng và tháo dỡ các khối bê tông lớn cũng có thể là một cách hiệu quả để chuyển đổi động năng thành thế năng.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Johannes Gutenberg Mainz (JGU) và Đại học Siegen ở Đức đã phát triển một cách mới để lưu trữ năng lượng mặt trời trong nhiều tuần hoặc thậm chí nhiều tháng. Thay vì sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra điện, họ sử dụng nó để lưu trữ nhiệt trong các liên kết hóa học ở các phân tử chuyên biệt được gọi là công tắc quang. Nó có thể trữ khoảng 50% tổng năng lượng mà xã hội loài người tiêu thụ ở dạng nhiệt. Nó làm ấm các tòa nhà của chúng ta và cũng cung cấp nhiệt đối với nhiều quy trình công nghiệp.

Thực vậy, theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, khoảng 50% mức tiêu thụ năng lượng cuối cùng trên toàn cầu được dành cho mục đích sưởi ấm. Tuy nhiên, việc sử dụng năng lượng mặt trời trong lĩnh vực này vẫn tương đối thấp so với các nguồn năng lượng hóa thạch. Một vấn đề cố hữu hạn chế việc sử dụng rộng rãi năng lượng mặt trời là tính không liên tục khi sử dụng trực tiếp. Rất may là hiện nay, một giải pháp mới đầy hứa hẹn đã xuất hiện dưới dạng hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời phân tử.

Các chiến lược lưu trữ năng lượng nhiệt thông thường lưu trữ năng lượng trong thời gian ngắn, thường ở dạng nước nóng. Ngược lại, các hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời phân tử lưu trữ năng lượng mặt trời dưới dạng liên kết hóa học, cho phép bảo quản trong vài tuần hoặc thậm chí vài tháng. Các phân tử chuyên biệt này — hay còn gọi là công tắc quang — hấp thụ năng lượng mặt trời và sau đó giải phóng dưới dạng nhiệt theo yêu cầu.

Giải quyết bài toán bằng phương pháp thu thập ánh sáng gián tiếp

Một thách thức chính đối với công tắc quang hiện tại là sự đánh đổi giữa khả năng lưu trữ năng lượng và khả năng hấp thụ hiệu quả ánh sáng mặt trời. Xung đột đó đã dẫn đến hiệu suất tổng thể hạn chế. Để khắc phục vấn đề đó, các nhóm nghiên cứu tại Đại học Johannes Gutenberg Mainz (JGU) và Đại học Siegen đã đưa ra một phương pháp tiếp cận mới trong một nghiên cứu hợp tác.

Lớp công tắc quang điện mới lần đầu tiên được giới thiệu bởi một nhóm các nhà nghiên cứu dưới sự chỉ đạo của Giáo sư Heiko Ihmels tại Đại học Siegen, nơi đã chứng minh thành công tiềm năng lưu trữ năng lượng đặc biệt tương đương với pin lithium-ion thông thường. Tuy nhiên, chức năng của chúng ban đầu chỉ giới hạn ở việc kích hoạt bằng tia UV, chỉ chiếm một phần nhỏ trong quang phổ mặt trời.

Sau đó, các nhóm nghiên cứu tại Mainz và Siegen đã đưa ra một phương pháp thu thập ánh sáng gián tiếp, tương đương với chức năng của thu thập ánh sáng trong quá trình quang hợp. Phương pháp này kết hợp một hợp chất thứ hai, được gọi là chất nhạy sáng, có đặc tính hấp thụ tuyệt vời ánh sáng khả kiến. Giáo sư Christoph Kerzig thuộc Khoa Hóa học của JGU giải thích rằng: "Trong phương pháp này, chất nhạy sáng hấp thụ ánh sáng và sau đó truyền năng lượng cho công tắc quang điện vốn không thể bị kích thích trực tiếp trong những điều kiện này".

Chiến lược mới này đã tăng hiệu quả lưu trữ năng lượng mặt trời lên hơn một cấp độ, thể hiện bước tiến lớn cho cộng đồng nghiên cứu chuyển đổi năng lượng. Các ứng dụng tiềm năng của các hệ thống này gồm các giải pháp sưởi ấm hộ gia đình và lưu trữ năng lượng quy mô lớn, giúp tạo ra con đường đầy hứa hẹn hướng tới quản lý năng lượng bền vững.

Nhóm nghiên cứu tại Mainz do Giáo sư Christoph Kerzig và nghiên cứu sinh tiến sĩ Till Zahringer dẫn đầu đã tiến hành phân tích quang phổ chi tiết để khám phá hệ thống phức tạp này. Những phân tích đó rất cần thiết để hiểu cơ chế cơ bản. Tác giả đầu tiên của công trình Till Zahringer đã kiểm tra cẩn thận từng bước phản ứng, từ đó hiểu rõ cách thức hoạt động của hệ thống. Zahringer giải thích: "Bằng cách đó, chúng tôi không chỉ có thể đẩy mạnh đáng kể giới hạn thu thập ánh sáng mà còn cải thiện hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng hóa học được lưu trữ".

Trong điều kiện hoạt động, mỗi photon được hấp thụ có thể kích hoạt quá trình hình thành liên kết hóa học, điều này hiếm khi được quan sát thấy trong các phản ứng quang hóa do có một số kênh mất năng lượng. Các nhà khoa học đã xác thực thành công hiệu ứng mạnh mẽ và tính thực tiễn của hệ thống bằng cách luân chuyển giữa trạng thái lưu trữ năng lượng và trạng thái giải phóng năng lượng nhiều lần nhờ sử dụng ánh sáng mặt trời. Điều này làm nổi bật tiềm năng ứng dụng trong điều kiện thực của hệ thống.

Anh Tú