Một “mẹo” biến dạng giúp cải thiện hiệu suất của pin mặt trời perovskite.

Năng lượng mặt trời là một trong những giải pháp đầy hứa hẹn nhất để giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, việc nâng cao hiệu quả của các tấm pin mặt trời luôn là một thách thức lớn. Pin mặt trời perovskite (PSCs) đã tạo ra bước đột phá, mang lại những cải tiến nhanh chóng về hiệu quả và tiềm năng sản xuất với chi phí thấp. Tuy nhiên, chúng vẫn còn gặp phải các vấn đề về tổn thất năng lượng và độ ổn định hoạt động.

Thách thức đối với vật liệu perovskite có dải năng lượng rộng

Pin mặt trời perovskite, đặc biệt là những loại được sử dụng trong cấu hình ghép nối tiếp, dựa vào vật liệu có dải năng lượng rộng (WBG) — các chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng năng lượng cao hơn (“xanh lam”) trong khi cho phép ánh sáng năng lượng thấp hơn (đỏ) đi qua — để tối đa hóa hiệu suất. Tuy nhiên, các công thức perovskite có dải năng lượng rộng thường gặp phải hiện tượng phân tách pha , trong đó các thành phần khác nhau tách ra theo thời gian, dẫn đến suy giảm hiệu suất.

Một giải pháp là thêm rubidium (Rb) để ổn định vật liệu WBG, nhưng có một vấn đề: Rb có xu hướng tạo thành các pha thứ cấp không mong muốn , làm giảm hiệu quả của nó trong việc ổn định cấu trúc perovskite.

Giải pháp của EPFL: ứng dụng biến dạng để giải cứu

Các nhà khoa học do Lukas Pfeifer và Likai Zheng dẫn đầu trong nhóm của Michael Grätzel tại EPFL đã tìm ra cách để giữ nguyên vị trí của Rb. Bằng cách tận dụng “biến dạng mạng tinh thể” của màng perovskite, họ đã thành công trong việc tích hợp các ion Rb vào cấu trúc, ngăn chặn sự phân tách pha không mong muốn. Phương pháp mới này không chỉ ổn định vật liệu WBG mà còn cải thiện hiệu suất năng lượng bằng cách giảm thiểu sự tái kết hợp không bức xạ – nguyên nhân chính gây mất năng lượng.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng biến dạng mạng tinh thể—một sự biến dạng có kiểm soát trong cấu trúc nguyên tử—để giữ cho Rb được khóa chặt trong mạng tinh thể perovskite. Họ đã làm điều này bằng cách tinh chỉnh thành phần hóa học và điều chỉnh chính xác quá trình nung nóng và làm nguội. Quá trình nung nóng nhanh sau đó làm nguội có kiểm soát đã tạo ra biến dạng, ngăn Rb hình thành các pha thứ cấp không mong muốn và đảm bảo nó vẫn được tích hợp trong cấu trúc.

Xác minh và tinh chỉnh phương pháp tiếp cận

Để xác nhận và hiểu rõ hiệu ứng này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng nhiễu xạ tia X để phân tích các thay đổi cấu trúc, cộng hưởng từ hạt nhân trạng thái rắn để theo dõi vị trí nguyên tử của Rb, và mô hình tính toán để mô phỏng cách các nguyên tử tương tác trong các điều kiện khác nhau. Các kỹ thuật này đã cung cấp một bức tranh chi tiết về cách biến dạng ổn định sự kết hợp của Rb.

Bên cạnh sự biến dạng mạng tinh thể, họ cũng phát hiện ra rằng việc đưa các ion clorua vào là chìa khóa để ổn định mạng tinh thể bằng cách bù đắp sự khác biệt về kích thước giữa các nguyên tố được kết hợp. Điều này đảm bảo sự phân bố ion đồng đều hơn, giảm thiểu khuyết tật và cải thiện độ ổn định tổng thể của vật liệu.

Kết quả là gì? Một vật liệu đồng nhất hơn với ít khuyết tật hơn và cấu trúc điện tử ổn định hơn. Thành phần perovskite mới, được tăng cường bằng Rb ổn định nhờ ứng suất, đạt được điện áp mạch hở 1,30 V—một con số ấn tượng, đạt 93,5% giới hạn lý thuyết. Điều này thể hiện một trong những tổn thất năng lượng thấp nhất từng được ghi nhận trong perovskite WBG. Hơn nữa, vật liệu được cải tiến cho thấy hiệu suất lượng tử phát quang (PLQY) được cải thiện, cho thấy ánh sáng mặt trời đang được chuyển đổi thành điện năng hiệu quả hơn.

Tác động đến năng lượng tái tạo

Việc giảm tổn thất năng lượng trong các tế bào quang điện perovskite có thể dẫn đến các tấm pin mặt trời hiệu quả hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các tế bào quang điện ghép nối tiếp, nơi perovskite được kết hợp với silicon để tối đa hóa hiệu suất.

Những phát hiện này cũng có ý nghĩa vượt ra ngoài lĩnh vực tấm pin mặt trời—vật liệu perovskite đang được nghiên cứu cho đèn LED, cảm biến và các ứng dụng quang điện tử khác. Bằng cách ổn định vật liệu perovskite WBG, nghiên cứu của EPFL có thể giúp đẩy nhanh quá trình thương mại hóa các công nghệ này.

Những người đóng góp khác

• Phòng thí nghiệm cộng hưởng từ EPFL
• Nền tảng nhiễu xạ tia X và phân tích bề mặt của EPFL
• Cơ sở nuôi cấy tinh thể EPFL
• Phòng thí nghiệm Hóa học và Sinh hóa tính toán EPFL
• Đại học Hàng không và Vũ trụ Nam Kinh
• Đại học Quốc gia Singapore
• Politecnico di Milano