Pin mặt trời tạo điện vào ban đêm: Đột phá công nghệ mới được kỳ vọng trong tương lai (Nguồn: Zhengzaishuru/iStock)

Khai thác chính phần nhiệt Trái đất tỏa ra vào ban đêm

Theo nhóm nghiên cứu tại Học viện Kỹ thuật Quang điện và Năng lượng tái tạo (UNSW), Trái đất không chỉ nhận năng lượng từ Mặt trời vào ban ngày mà còn liên tục phát ngược năng lượng trở lại không gian dưới dạng bức xạ hồng ngoại khi trời tối. Dòng bức xạ nhiệt này chính là nền tảng cho công nghệ phát điện ban đêm.

Thay vì hấp thụ ánh sáng để tạo điện như pin quang điện thông thường, thiết bị mới sử dụng đi-ốt nhiệt bức xạ (thermoradiative diode) - một linh kiện bán dẫn có khả năng tạo dòng điện khi phát bức xạ về phía môi trường lạnh hơn.

Giáo sư Jamie Harrison, nghiên cứu sinh sau đại học tại UNSW, cho biết ý tưởng này có thể xem như phiên bản vận hành theo chiều ngược lại của pin mặt trời: “Về nguyên lý, thiết bị này giống như một tấm pin mặt trời chạy ngược. Thay vì hấp thụ ánh sáng để tạo ra điện, nó phát bức xạ và từ đó sinh ra dòng điện.”

Nguyên lý hoạt động “đảo chiều” so với pin mặt trời truyền thống

Ở pin mặt trời quen thuộc, photon ánh sáng từ Mặt trời kích thích electron trong vật liệu bán dẫn dịch chuyển, tạo thành dòng điện. Nhưng với đi-ốt bức xạ nhiệt, quá trình diễn ra theo hướng ngược lại: khi vật liệu phát ra photon hồng ngoại về phía bầu trời đêm lạnh hơn, sự trao đổi năng lượng này tạo nên chênh lệch điện thế.

Nhóm nghiên cứu cho biết hiện tượng này tương tự cơ chế của một số thiết bị nhìn đêm nhạy hồng ngoại, nhưng được thiết kế để thu hồi năng lượng điện thay vì chỉ ghi nhận tín hiệu hình ảnh.

Một thành viên nhóm nghiên cứu giải thích rằng mọi vật thể ấm hơn môi trường xung quanh đều phát bức xạ hồng ngoại, và nếu kiểm soát tốt quá trình đó bằng cấu trúc bán dẫn phù hợp, có thể biến phần năng lượng thất thoát thành điện hữu ích.

Sản lượng điện còn rất nhỏ

Kết quả thử nghiệm ban đầu cho thấy công suất tạo ra hiện vẫn ở mức thấp - kém xa pin mặt trời ban ngày. Theo giáo sư Ekins-Daukes: “Ở thời điểm này, lượng điện thu được còn rất nhỏ. Nó có thể so sánh với mức năng lượng đủ để chạy một thiết bị điện tử cực nhỏ, như đồng hồ số dùng nhiệt cơ thể.”

Các nhà khoa học cũng chỉ ra rằng khí quyển Trái đất - đặc biệt là hơi nước và CO₂ - hấp thụ một phần lớn bức xạ hồng ngoại, làm giảm hiệu quả phát điện. Trong điều kiện lý tưởng, mật độ công suất lý thuyết cũng chỉ đạt khoảng mức thấp trên mỗi mét vuông - chưa phù hợp cho nhu cầu điện năng lớn.

Triển vọng ứng dụng ngoài không gian

Dù còn hạn chế trên mặt đất, công nghệ này lại cho thấy nhiều hứa hẹn trong môi trường không gian - nơi không có lớp khí quyển dày cản bức xạ nhiệt. Theo nhóm UNSW, các vệ tinh quay quanh Trái đất thường trải qua chu kỳ có nắng và trong bóng tối xen kẽ. Nếu có thể phát điện trong giai đoạn không nhận ánh sáng, hệ thống sẽ giảm phụ thuộc vào pin lưu trữ.

Giáo sư Ekins-Daukes nhận định: “Trong không gian, nơi môi trường lạnh hơn và bức xạ không bị cản nhiều bởi khí quyển, công nghệ này có thể phát huy hiệu quả tốt hơn đáng kể.”

Nhóm nghiên cứu cho biết đang lên kế hoạch thử nghiệm thiết bị trong điều kiện tầng cao khí quyển bằng khí cầu nhằm đánh giá hiệu suất thực tế.

Bổ sung cho hệ năng lượng tái tạo tương lai

Giới chuyên môn nhìn nhận pin phát điện ban đêm không nhằm thay thế pin mặt trời truyền thống, mà đóng vai trò nguồn bổ trợ công suất thấp nhưng liên tục. Khi kết hợp với pin quang điện ban ngày và hệ lưu trữ, công nghệ này có thể góp phần xây dựng mô hình cung cấp điện ổn định hơn từ năng lượng tái tạo.

Dù vẫn ở giai đoạn đầu, hướng nghiên cứu phát điện từ bức xạ nhiệt ban đêm cho thấy một tư duy mới: năng lượng mặt trời không chỉ đến từ ánh sáng trực tiếp, mà còn từ chính phần nhiệt Trái đất âm thầm phát ra sau khi mặt trời lặn. Đây được xem là một trong những đột phá đáng theo dõi trong hành trình phát triển công nghệ năng lượng sạch.