Hiện nay, các hệ thống pin năng lượng mặt trời truyền thống chỉ có thể tối ưu hiệu suất hấp thụ năng lượng tối đa trong vài tiếng mỗi ngày, hoặc, nếu muốn tối ưu hiệu suất từ lúc mặt trời mọc đến khi mặt trời lặn, những tấm pin năng lượng mặt trời sẽ phải được trang bị hệ thống cơ học tự thay đổi góc nghiêng cho đúng vị trí ánh sáng chiếu vào. Giải pháp này vừa phức tạp, vừa tốn năng lượng để vận hành máy móc.

Và để giải quyết những nhược điểm này, các kỹ sư tại Đại học Stanford, California, Mỹ đã tạo ra một loại lăng kính mới giúp các hệ thống pin năng lượng mặt trời cố định tối ưu hóa hiệu suất sản xuất điện mà không cần phải xoay.

Theo đó, các kỹ sư đã tạo ra một loại lăng kính mới có tên AGILE - Axially Graded Index Lenses với thiết kế như những kim tự tháp ngược có khả năng thu ánh sáng mặt trời ở mọi góc chiếu trong ngày với cường độ tối đa mà không cần tới việc xoay tấm pin mặt trời.

Lăng kính AGILE sẽ thay thế cho tấm kính phẳng bảo vệ những solar cell trong các tấm pin mặt trời, đồng thời thu lại ánh sáng mặt trời với cường độ tối đa, trước khi chiếu trực tiếp lên bề mặt các tấm pin năng lượng mặt trời, để biến photon trở thành dòng electron nhờ hiệu ứng quang điện.

Thử nghiệm cho thấy lăng kính này hấp thụ được 90% lượng ánh sáng mặt trời chiếu lên bề mặt, rồi sau đó hội tụ lại chùm photon để cường độ ánh sáng tăng gấp 3 lần trước khi chạm tới solar cell. Nhờ đó, tấm pin ở góc nào cũng vận hành hiệu quả, kể cả trong những ngày thời tiết không lý tưởng.

Nhìn hình, lăng kính có cấu trúc tưởng chừng đơn giản, nhưng nó được tạo ra từ nhiều tầng polymer và thủy tinh chồng lên nhau, mỗi chất liệu lại có hệ số tán xạ khác nhau. Thành thấu kính là những mặt gương để phản xạ ngược lại ánh sáng, triệt tiêu hao phí năng lượng.

Cũng nhờ kết cấu nhiều chất liệu như thế này, lăng kính hấp thụ được nhiều dải sóng ánh sáng khác nhau.

Thử thách đầu tiên là chọn ra những chất liệu có hệ số tán xạ phù hợp, để khi ghép lại, chúng tạo ra lăng kính hoạt động hoàn hảo nhất. Một thử thách khác trong việc lựa chọn chất liệu là chúng đều phải có tỷ lệ nở nhiệt tương đồng để lăng kính không nứt vỡ.

Công trình nghiên cứu này vừa được đại học Stanford đăng trên tờ tạp chí Microsystems & Nanoengineering.

Hải An