CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1. Năng lượng mặt trời Trong những năm gần đây, vấn đề khủng hoảng năng lượng đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm do nhu cầu ngày càng gia tăng, cũng như sự phụ thuộc mạnh mẽ vào nguồn năng lượng không tái tạo và nguy cơ tác động của biến đổi khí hậu. Theo ước tính, từ 80% đến 85% năng lượng con người sử dụng đến từ nhiên liệu hóa thạch, nguồn năng lượng hữu hạn và phân bố không đều dưới bề mặt Trái Đất [1]. Hệ quả là, khi nhiên liệu hóa thạch được chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác thông qua quá trình đốt cháy, chúng tạo ra khí nhà kính và các chất có hại gây ô nhiễm môi trường khác [3].
Do đó, việc phát triển nguồn năng lượng bền vững trở thành một trong những nhiệm vụ cấp bách để giảm thiểu tác động lên môi trường [2]. Khác với nhiên liệu hóa thạch, các nguồn năng lượng thay thế trong Hình 1.1 như năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, hoặc sinh khối là những nguồn tài nguyên sạch, phong phú và liên tục. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo này, năng lượng mặt trời cho đến nay là nguồn tài nguyên có thể khai thác lớn nhất. Lượng ánh sáng mặt trời chiếu vào bề mặt trái đất trong một tiếng rưỡi đủ để sản xuất ra toàn bộ nhu cầu năng lượng của thế giới trong cả năm [13].
Năng lượng mặt trời đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm việc tạo ra điện [14], làm sạch nước [15] và thậm chí trong lĩnh vực giao thông [16]. Nhìn chung, những nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo không chỉ giúp giảm các tác động tiêu cực đến môi trường mà còn đóng góp mạnh mẽ vào sự bền vững của nguồn năng lượng sạch. Để tận dụng hiệu quả nguồn năng lượng này, các thiết bị mới liên tục được phát triển với khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng tia cực tím đến hồng ngoại, trong đó phải kể đến một cấu trúc nổi bật như bộ hấp thụ vật liệu biến hóa. Một số nguồn năng lượng tái tạo hiện nay như năng lượng gió, sinh khối, địa nhiệt, thủy triều, mặt trời, hydro … 1.
Bộ hấp thụ vật liệu biến hóa Bộ hấp thụ là một thiết bị vô cùng quan trọng để hấp thụ hiệu quả bức xạ, chẳng hạn như sóng điện từ. Chúng có khả năng giam cầm hoặc hấp thụ sóng điện từ tại một số vùng cụ thể trong cấu trúc [17]. Để khai thác hiệu quả năng lượng mặt trời, rất nhiều thiết kế và vật liệu đã được đưa ra để có thể hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ trong vùng này. Ta có thể phân ra các loại chính gồm vật liệu carbon/hữu cơ với cấu trúc vô định hình và vật liệu biến hóa có cấu trúc tuần hoàn.
Ở đây, vật liệu biến hóa là những vật liệu nhân tạo thể hiện những đặc tính điện từ đặc biệt không thể tìm thấy trong các vật liệu tự nhiên, với các thành phần có cấu trúc nhỏ hơn đáng kể so với bước sóng của sóng tới [18]. Các bộ hấp thụ năng lượng mặt trời sử dụng vật liệu hữu cơ trong nhiều trường hợp có phổ 6 hấp thụ hẹp, chỉ có thể hấp thụ ánh sáng một cách hiệu quả trong một phạm vi bước sóng nhất định [19, 20]. Trong khi đó, những nghiên cứu về bộ hấp thụ cấu trúc tuần hoàn trong nhiều năm qua đã cho thấy hiệu suất vượt trội với khả năng hấp thụ mạnh mẽ từ bước sóng khả kiến đến hồng ngoại [7, 8]. Các nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra rằng bằng cách điều chỉnh các thông số hình học và thành phần vật liệu, đỉnh hấp thụ của bộ hấp thụ vật liệu biến hóa có thể được dịch chuyển sang các bước sóng khác nhau [8, 9].
Khả năng điều chỉnh này khó có thể đạt được trong các bộ hấp thụ hữu cơ. Thêm vào đó, bộ hấp thụ vật liệu biến hóa thường được làm bằng kim loại và chất điện môi, mang lại độ bền và tính ổn định theo thời gian. Ngược lại, các bộ hấp thụ hữu cơ có thể dễ bị suy thoái hoặc thay đổi hiệu suất hơn do các yếu tố môi trường hoặc quá trình lão hóa [21]. Do đó, trong đồ án này, chúng tôi nghiên cứu bộ hấp thụ vật liệu biến hóa với cấu trúc tuần hoàn để tối ưu hóa khả năng thu ánh sáng mặt trời.
Để bộ hấp thụ đạt được hiệu suất cao nhất, việc xác định phạm vi hấp thụ và cường độ hấp thụ trên quang phổ mặt trời của từng bước sóng rất quan trọng. Các thiết bị này cần phải có độ hấp thụ cao với hệ số truyền qua và phản xạ thấp trên toàn bộ dải quang phổ mặt trời. Hiện nay, có nhiều vật liệu được sử dụng cho bộ hấp thụ năng lượng mặt trời, bao gồm kim loại, gốm sứ và polyme [22, 23]. Tuy nhiên, mỗi vật liệu có những ưu điểm và hạn chế riêng như giá thành, độ bền và hiệu suất hấp thụ năng lượng mặt trời.
Bộ hấp thụ được phát triển với các vật liệu khác nhau hoạt động tốt hơn ở các phạm vi bước sóng khác nhau. Thông thường, các kim loại truyền thống như vàng, bạc, đồng hay được sử dụng [24, 25] vì tính chất plasmonics của những vật liệu này thể hiện rất mạnh trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Từ năm 2010, các vật liệu gốm như TiN, ZrN, VN. hay được sử dụng để thay thế cho vật liệu plasmonic truyền thống [26, 27].
Trong số các vật liệu này, Titanium Nitride (TiN) đã thu hút được sự quan tâm đáng kể trong những nghiên cứu gần đây. Đây là một vật liệu plasmonic có thể thay thế các vật liệu plasmonic truyền thống như vàng và bạc. Nó tiết kiệm chi phí hơn, có điểm nóng chảy cao, độ ổn định nhiệt tốt và tính chất cơ học mạnh mẽ [28]. Ngoài ra, TiN thể hiện tổn thất nội tại thấp và tính chất plasmonic mạnh trong dải phổ khả kiến đến hồng ngoại gần [29].
Hơn nữa, tính chất quang học của TiN có 7 thể được điều chỉnh dễ dàng bằng cách thay đổi các điều kiện xử lý. Sự kết hợp độc đáo giữa các đặc tính quang học, điện và cơ học khiến TiN trở thành một ứng cử viên hấp dẫn cho các ứng dụng plasmonic khác nhau, bao gồm các ứng dụng quang học. Nghiên cứu của Myeongcheol về bộ hấp thụ băng thông rộng dựa trên TiN đã cho thấy độ hấp thụ trung bình trên 95% ở vùng khả kiến và vùng cận hồng ngoại (400 – 900 nm) [30]. Trong khi đó, Huixuan cũng đã thành công trong việc thiết kế bộ hấp thụ hoàn hảo với cấu trúc đa lớp sử dụng vật liệu TiN và các chất điện môi khác, đạt độ hấp thụ liên tục trên 90% trong dải bước sóng 200 – 1200 nm và tỷ lệ hấp thụ trung bình lên đến 94,85% [31].
Những thành tựu này đã chứng minh rằng TiN có tiềm năng lớn trong ứng dụng năng lượng mặt trời với hiệu quả cao và đa dạng trong điều kiện khác nhau. Để mở rộng phố hấp thụ nhiều loại cấu trúc khác nhau từ cấu trúc kim loại – điện môi – kim loại [24], các hạt nano phân tán ngẫu nhiên [32] đến khối hình nón đa lớp [33] được nghiên cứu với mỗi kiểu thiết kế mang lại những đặc tính và ưu điểm độc đáo. Vào năm 2023, Shuai và các cộng sự đã công bố một nghiên cứu về bộ hấp thụ hoàn hảo băng thông rộng có cấu trúc vòng nano TiN, màng điện môi SiO2 và lớp đế TiN như Hình 1. Một nghiên cứu khác của Sun và đồng nghiệp đã chứng minh khả năng hiệu quả của cấu trúc vòng nano như Hình 1.2(b), với độ hấp thụ trung bình lên đến 97,6% trong khoảng phổ 300 – 2500 nm và tỷ lệ năng lượng hấp thụ trong bức xạ quang phổ AM1.5 có thể đạt tới 95,8% [8].
Raj Kumar cũng đã thành công trong thiết kế bộ hấp thụ sử dụng vòng nano như Hình 1. Những kết quả này là minh chứng rõ ràng cho tiềm năng của cấu trúc vòng nano trong lĩnh vực năng lượng mặt trời và bộ hấp thụ. Các bộ hấp thụ sử dụng cấu trúc vòng nano đã được nghiên cứu (a) Cấu trúc trụ rỗng 3 lớp TiN – SiO2 – TiN được đặt trên một mảng mỏng SiO2 và đế kim loại TiN [7]. Cấu trúc của bộ hấp thụ ánh sáng mặt trời hai lớp: trụ rỗng TiN với đường kính ngoài D, đường kính trong d, chiều cao h1 và đế TiN với chiều rộng cạnh P và độ dày h2.
Tổng quan về cách nghiên cứu bộ hấp thụ ánh sáng mặt trời trong đồ án Dựa trên tìm hiểu các nghiên cứu trước đây, chúng tôi đề xuất sử dụng một bộ hấp thụ băng thông rộng dựa trên vật liệu TiN, như được biểu diễn chi tiết trong Hình 1. Cấu trúc của bộ hấp thụ này bao gồm hai lớp đơn giản, bao gồm các vòng rỗng TiN được sắp xếp tuần hoàn trên đế TiN. Lớp đế TiN ở phía dưới được giữ cố định với chiều rộng tuần hoàn hay của một ô đơn vị là là 430 nm. Các thông số khác có thể được điều chỉnh như mô tả chi tiết trong Bảng 2.
Mặc dù đã có những bước tiến quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo hệ hấp thụ sử dụng vòng nano, song vẫn tồn tại một số thách thức và vấn đề chưa được giải quyết. Cụ thể, liệu có thể đơn giản hóa cấu trúc mà vẫn duy trì độ hấp thụ cao không? Mối quan hệ giữa cấu trúc và hiệu suất hấp thụ có thể được hiểu rõ không? Có khả năng dự đoán phổ hấp thụ của cấu trúc nhất định dựa trên bộ thông số bất kỳ và ngược lại mà không cần mô phỏng không? Các thuật toán học máy đơn giản liệu có hiệu quả bằng các mô hình học sâu không? Chúng tôi đã thực hiện thiết kế kỹ thuật, áp dụng mô phỏng và trí tuệ nhân tạo để giải quyết những vấn đề này. Với các đặc tính quang học của vật liệu được mô tả thông qua hàm điện môi, chúng tôi sử dụng công cụ mô phỏng để thu thập dữ liệu về phổ 10 hấp thụ cũng như để nghiên cứu cơ chế hoạt động của bộ hấp thụ ánh sáng mặt trời. Sau đó, để tăng tốc tính toán và thiết kế nhanh, dựa vào bộ dữ liệu thu được từ mô phỏng, chúng tôi áp dụng các kỹ thuật học máy để dự đoán phổ hấp thụ cho các bộ thông số cấu trúc mới, đồng thời dự đoán ngược lại các thông số cấu trúc dựa trên một phổ hấp thụ bất kỳ.
Tổng quan nội dung của nghiên cứu này được thể hiện như trong Hình 1.