Thiết bị đầu tiên có thể trực tiếp chuyển ánh sáng thành dòng điện 1 chiều

Miếng mỏng màu đen với các vệt trắng trên bề mặt nằm ở giữa bức ảnh chính là rectenna quang – thiết bị đầu tiên trên thế giới có thể chuyển trực tiếp ánh sáng thành dòng điện 1 chiều, được phát triển thành công mới đây bởi các nhà nghiên cứu tại Viện công nghệ Georgia, Mỹ.

Tên gọi Rectenna được viết tắt từ “rectifying antenna” (tạm dịch: “ăngten chỉnh lưu”). Đây là một dạng ăngten đặc biệt được dùng để chuyển năng lượng sóng thành dòng điện 1 chiều. Nó bao gồm 2 thành phần cơ bản là ăngten và diode chỉnh lưu. Ứng dụng chủ yếu của nó là trong các hệ thống truyền điện không dây (qua sóng radio).

Rectenna được phát minh vào năm 1964 bới kỹ sư điện người Mỹ William C. Brown và ông được cấp bằng sáng chế vào năm 1969. Từ những năm 1970, người ta bắt đầu tìm cách sử dụng những mảng rectenna cực lớn để tạo ra hệ thống vệ tinh năng lượng Mặt Trời, thu thập năng lượng từ Mặt Trời bằng các tế bào năng lượng, sau đó bắn xuống Trái Đất.

Những ứng dụng khác cũng được nghiên cứu áp dụng như dùng sóng radio để cấp năng lượng cho máy bay không người lái (drone) trong quân sự. Gần đây, người ta còn sử dụng rectenna để cấp điện không dây cho các thiết bị vi điện tử, các thiết bị RFID (công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến),… Tuy nhiên, trước giờ rectenna chỉ đóng vai trò là công cụ truyền tải nhưng người ta giả thuyết có thể sử dụng công nghệ nano để tạo nên những tấm rectanna cỡ nhỏ để chuyển trực tiếp ánh sáng thành điện năng với hiệu suất cao hơn các tế bào năng lượng Mặt Trời.

Thiết bị rectenna chuyển ánh sáng thành dòng điện được gọi là rectenna quang hoặc nantenna và trong các thí nghiệm gần đây nhất thì nó chỉ có thể thu được năng lượng từ ánh sáng hồng ngoại với hiệu suất 1%. Và cuối cùng, các nhà nghiên cứu tại Viện công nghệ Georgia đã phát triển thành công hệ thống nantenna với hiệu suất chuyển hóa hứa hẹn lên tới 40%.

Nhóm nghiên cứu đã dùng các ống carbon kích thước nano xếp dọc và liên kết với nhau trên một bề mặt dẫn điện và đây sẽ được dùng như các ăngten siêu nhỏ để thu thập ánh sáng. Tiếp theo, người ta sẽ dùng kỹ thuật lớp nguyên tử lắng đọng để phủ nhôm ôxít lên các ống nano nhằm cách nhiệt cho chúng. Cuối cùng quá trình bay hơi vậy lý được sử dụng để tạo nên một bề mặt canxi trong suốt bên trên cùng.

Trong quá trình hoạt động, sóng ánh sáng sẽ đi qua các điện cực canxi – nhôm trong suốt và tương tác với các ống nano. Khi đó, các mối nối cách điện ở đỉnh của các ống nano sẽ đóng vai trò như chỉnh lưu, đóng mở liên tục theo chu kỳ lên tới femto giây, cho phép các electron tạo ra bởi ăngten di chuyển 1 chiều trở lại điện cực ở bên trên. Trong một so sánh, “các bộ chỉnh lưu” sẽ tắt mở với tần số petahertz (tương đương 10^15Hz và gấp 1 triệu lần GHz). Kết quả, một dòng điện rất nhỏ đã được tạo thành và quá trình này là trực tiếp chứ không phải qua nhiều công đoạn như các tế bào năng lượng Mặt Trời.

Hiện tại, bằng cách tạo nên một mảng nantenna từ hàng triệu ống nano, các nhà khoa học đã có thể tạo nên một dòng điện đủ lớn. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi chỉ đạt 1% nhưng họ đang tiếp tục tìm cách tăng hiệu suất lên. Một cách khả thi là giảm điện trở của thiết bị và họ tin rằng có thể tăng hiệu suất chuyển đổi lên tới 40%.

Nếu kỹ thuật này thành công thì đây hứa hẹn sẽ là một cách đột phá để thu thập năng lượng Mặt Trời và chuyển thành điện năng. Nhóm nghiên cứu chia sẻ: “Cuối cùng chúng ta đã có thể tạo nên các tế bào năng lượng với hiệu suất gấp đôi nhưng giá chỉ bằng 1/10.”

Nguồn ScienceDaily, Wikipedia