Pin mặt trời thường cần bầu trời phía trên: Cell perovskite vẫn sạc được pin ở độ sâu 10 mét dưới biển

Pin mặt trời không ngừng hoạt động ngay khi chìm xuống nước, nhưng càng xuống sâu, ánh sáng còn lại càng khác với thứ mà một tấm pin trên mái nhà được thiết kế để hấp thụ. Nước nhanh chóng lọc bớt phần đỏ và hồng ngoại của quang phổ, đồng thời làm cường độ ánh sáng giảm mạnh. Ở khoảng 10 mét, phần năng lượng còn hữu ích chủ yếu nằm trong vùng xanh lam đến xanh lục.

Một nhóm nghiên cứu do Đại học Vân Nam dẫn đầu vừa thiết kế cell perovskite cho chính quang phổ bị “lọc” này. Trong thử nghiệm ngoài biển gần đảo Vi Châu ở Biển Đông, mô-đun diện tích lớn được hạ xuống độ sâu 10 mét và tạo ra 324 mWh điện sau hai giờ chiếu sáng, đủ để sạc pin lithium-ion dùng trong hệ thử nghiệm và sau đó cấp điện cho LED. Công trình được công bố trên Joule ngày 11/9/2026.

Vấn đề không chỉ là ánh sáng yếu hơn

Silicon hoạt động tốt trên mặt đất vì nó hấp thụ được một dải rộng của ánh sáng Mặt Trời, kể cả phần cận hồng ngoại. Dưới nước, lợi thế đó giảm đi nhanh chóng: nước hấp thụ mạnh các bước sóng dài, nên quang phổ ở độ sâu vài mét trở nên hẹp hơn và thiên về ánh sáng xanh.

Nhóm của Simin Ma, Bing Cai và Wen-Hua Zhang chọn perovskite chì-halide có vùng cấm quang học khoảng 1,96 eV. Vùng cấm rộng này khiến vật liệu phù hợp hơn với phần quang phổ khoảng 400–600 nm còn xuyên xuống độ sâu 5–10 mét. Nói cách khác, nhóm không cố làm một cell “nhìn thấy” nhiều ánh sáng hơn dưới nước; họ thay đổi vật liệu để cell tập trung vào phần ánh sáng thực sự còn tồn tại ở đó.

Ý tưởng này cũng giải thích một con số dễ gây hiểu nhầm trong nghiên cứu. Cell đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng 34,71% khi được chiếu bằng nguồn sáng trong phòng lab đã qua bộ lọc để mô phỏng quang phổ ở độ sâu 10 mét. Dưới điều kiện ánh sáng chuẩn AM 1.5G dùng cho pin mặt trời trên mặt đất, cùng loại cell chỉ đạt 17,08%, với kết quả được chứng nhận là 16,79%.

Điều đó không có nghĩa cell tạo nhiều điện hơn khi bị nhấn xuống biển. Ở 10 mét có ít năng lượng ánh sáng hơn rất nhiều. Con số 34,71% chỉ cho thấy thiết bị tận dụng hiệu quả phần ánh sáng còn lại sau khi nước đã lọc quang phổ.

PHMG vừa sửa tinh thể vừa làm cell ổn định hơn

Perovskite có một lợi thế mà silicon khó bắt chước: thành phần hóa học của nó có thể được điều chỉnh để thay đổi vùng cấm. Nhưng vật liệu này cũng nổi tiếng vì các vấn đề ổn định, đặc biệt khi ion trong mạng tinh thể dịch chuyển hoặc khi có nhiều khuyết tật gây tái hợp điện tích.

Nhóm nghiên cứu đưa polyhexamethylene guanidine hydrochloride, hay PHMG, vào quá trình kết tinh. Theo paper, chất phụ gia này giúp giảm mật độ khuyết tật, hạn chế sự di chuyển của ion halide, cải thiện sự sắp xếp mức năng lượng và tăng độ ổn định của mạng tinh thể. Các nhóm guanidinium trong PHMG có thể tương tác với những vị trí chì chưa phối trí đầy đủ và với ion halide, trong khi phần polymer góp phần cải thiện môi trường của màng perovskite.

Kết quả là cell không chỉ hấp thụ đúng vùng phổ hơn mà còn duy trì hiệu suất trong các bài kiểm tra kéo dài. Sau 1.160 giờ theo dõi điểm công suất cực đại dưới nguồn sáng mô phỏng điều kiện 10 mét, nhóm báo cáo thiết bị gần như không suy giảm đáng kể. Từ các thử nghiệm gia tốc ở 25°C, họ ước tính thời gian T80 — thời gian tới khi công suất giảm còn 80% ban đầu — khoảng 48.094 giờ, tương đương 5,49 năm.

Đây là một dự đoán từ phép thử gia tốc, không phải bằng chứng rằng cell đã hoạt động liên tục 5,5 năm dưới biển.

Phần quan trọng nhất là thử ngoài Biển Đông

Nhóm không dừng ở cell nhỏ trong phòng lab. Họ chế tạo mô-đun perovskite diện tích hoạt động khoảng 115 cm², tích hợp với nền tảng dưới nước và thử ở các độ sâu 2, 6 và 10 mét. Sau hai giờ, hệ thống thu được lần lượt khoảng 1.416 mWh, 752 mWh và 324 mWh.

Sự giảm năng lượng theo độ sâu là điều được chờ đợi vì nước vừa hấp thụ vừa tán xạ ánh sáng. Điểm đáng chú ý là ở 10 mét, mô-đun vẫn tạo ra lượng điện đủ để nạp các pin lithium-ion trong hệ thử nghiệm. Đại học Vân Nam mô tả đây là lần đầu nhóm chứng minh mô-đun perovskite có thể phát điện hữu dụng ở độ sâu thực tế 10 mét ngoài biển.

Ứng dụng hợp lý nhất không phải là dựng “trang trại điện mặt trời dưới đáy đại dương”. Năng lượng ánh sáng giảm quá nhanh theo độ sâu để cạnh tranh với điện mặt trời trên mặt nước. Thay vào đó, công nghệ hướng tới những thiết bị vốn đã phải sống dưới nước: cảm biến, camera, phao liên lạc, robot tự hành hoặc các trạm quan trắc biển cần một nguồn nạp nhỏ nhưng liên tục.

10 mét vẫn là vùng nước tương đối sáng

Thử nghiệm hiện tại kéo dài hai giờ ngoài biển, trong khi phần đánh giá độ bền dài hạn được thực hiện bằng điều kiện mô phỏng. Nghiên cứu cũng chưa chứng minh hệ có thể hoạt động hàng tháng hay hàng năm trong môi trường biển thật, nơi bám sinh học, ăn mòn, trầy xước lớp đóng gói và thay đổi độ đục của nước đều có thể làm hiệu suất suy giảm.

Độ sâu cũng là giới hạn vật lý khó tránh. Khi đi sâu hơn, không chỉ cường độ mà cả dải bước sóng hữu ích tiếp tục bị thu hẹp. Các tác giả cho biết bước tiếp theo là thử ở độ sâu lớn hơn để xác định giới hạn hoạt động và xây dựng phương pháp kiểm tra tiêu chuẩn cho quang điện dưới nước.

Vì thế, kết quả này nên được xem là một bằng chứng thực địa cho một loại nguồn điện mới dành cho thiết bị biển, không phải pin mặt trời có thể hoạt động ở bất kỳ độ sâu nào. Điểm mới nằm ở việc thiết kế cell theo quang phổ của môi trường dưới nước, rồi chứng minh nó vẫn tạo được điện hữu ích ở 10 mét thay vì chỉ trong bể mô phỏng.

Nguồn: Joule; Yunnan University; Nature Photonics.