"Vấn đề quan trọng là làm thế nào để quá trình nhân đôi này có thể thực hiện hiệu quả trên một chuỗi polime phân tử đơn", nhà vật lý học Matthew Sfeir, người lãnh đạo công trình nghiên cứu tại Trung tâm Brookhaven Lab cho biết. Việc có hai điện tích trên cùng một phân tử có nghĩa là các vật liệu hấp thụ ánh sáng, sản sinh năng lượng không nhất thiết phải có cấu trúc mạng như các tinh thể hoàn hảo để tạo ra thêm điện tích. Thay vào đó, các vật liệu độc lập hoạt động hiệu quả khi hòa tan trong chất lỏng, điều này mở ra một phạm vi rộng các quy trình chế tạo quy mô công nghiệp, bao gồm cả in vật liệu sản sinh năng lượng mặt trời giống như mực in vậy.

Công trình nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Nature Materials, 12/1/2015.

Khái niệm về sản sinh hai điện tích từ một đơn vị ánh sáng được gọi là "phân đôi đơn" (singlet fission), sự phân đôi là việc tách một tế bào sinh học đơn thành hai khi các tế bào nhân sao. Các thiết bị dựa trên khái niệm nhân sao này có tiềm năng vượt qua được giới hạn trên về hiệu suất của các pin mặt trời nối đơn (single junction) hiện đạt khoảng 34%. Thách thức đặt ra là cần vượt cao hơn khả năng tăng gấp đôi lượng điện năng của các vật liệu pin mặt trời, bởi vì các vật liệu này cần được tích hợp vào các thiết bị tạo ra dòng điện thực tế. Các vật liệu tạo dòng hiệu suất cao có thể bổ sung cho các vật liệu và các cấu trúc thiết bị pin mặt trời hiện tại, hoặc mở ra khả năng thiết kế các loại pin mặt trời mới.

Hầu hết các vật liệu phân đôi đơn được khai thác hiện nay cho phép tạo ra các phần tử mang điện cặp đôi trên các phân tử riêng biệt. Các vật liệu này chỉ hoạt động tốt khi được đặt trong một màng tinh thể với trật tự tầm xa (long-range order), trong đó các ghép đôi mạnh dẫn đến điện tích được bổ sung thêm từ phân tử bên cạnh. Việc sản xuất các màng tinh thể chất lượng cao như vậy và kết hợp vào chế tạo pin mặt trời làm cho quy trình trở nên phức tạp.

Trong khi đó, việc tạo ra những điện tích cặp đôi trên một phân tử polime đơn có thể dẫn đến một loại vật liệu tương thích với một phạm vi rộng hơn các quy trình công nghiệp. Các vật liệu này được thiết kế và tổng hợp bởi một nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Columbia, do Giáo sư Luis Campos lãnh đạo và được phân tích tại Phòng thí nghiệm Brookhaven sử dụng các công cụ chuyên ngành tại Trung tâm Vật liệu nano chức năng (Center for Functional Nanomaterials - CFN).

Cách tiếp cận này đặc biệt có triển vọng bởi vì thiết kế vật liệu hoàn toàn tách rời và tuân theo các chiến lược tổng hợp hiện đang được khai thác trong pin mặt trời hữu cơ thế hệ thứ hai.

Tại CFN, các nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp quang phổ phân giải thời gian (time-resolved optical spectroscopy) để cảm ứng và định lượng sự phân đôi đơn trong các tổ hợp polime khác nhau sử dụng một photon laze đơn.

"Chúng tôi đưa năng lượng ánh sáng vào vật liệu bằng một xung laser và xem xét những gì xảy ra với nguồn năng lượng đó sử dụng một loạt các xung ánh sáng yếu hơn, khá giống với việc chụp ảnh bằng một camera có tốc độ màn trập rất nhanh", Matthew Sfeir cho biết. Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm quy trình này sử dụng phương pháp phân hủy bởi chiếu xạ dạng xung (pulse radiolysis). Những khác biệt quan sát được giữa hai thí nghiệm cho phép các nhà nghiên cứu nhận dạng một cách rõ ràng sự phân đôi đơn là quá trình chủ yếu trong việc tạo ra các điện tích cặp đôi. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các máy tính có tính năng tính toán mạnh tại CFN để lập mô hình các vật liệu này và hiểu được các yêu cầu thiết kế cần thiết để sự phân đôi đơn xảy ra.

Các bước tiếp theo đối với nhóm nghiên cứu CFN-Columbia sẽ là thử nghiệm một lớp các vật liệu sử dụng khung thiết kế mà họ đã xác định được, và sau đó tích hợp một số vật liệu polime mạch cacbon vào pin năng lượng mặt trời.