Các cation hữu cơ dễ bị ảnh hưởng thúc đẩy tính ổn định và hiệu quả trong các tế bào quang điện perovskite
Tác giả: JooHyeon Heo, Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan
Nguồn: Joule (2025). DOI: 10.1016/j.joule.2025.101879
Không giống như các tế bào quang điện silicon thông thường, các tế bào quang điện perovskite (PSC) không chỉ mỏng và nhẹ mà còn có thể được áp dụng liền mạch vào các bề mặt cong, như mặt tiền tòa nhà và mái xe. Hơn nữa, chúng có thể dễ dàng được sản xuất ở nhiệt độ phòng bằng quy trình dung dịch, giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất.
Tuy nhiên, để PSC đạt được mục tiêu thương mại hóa, điều quan trọng là phải phát triển các công nghệ duy trì hiệu suất cao trong thời gian dài. Một nhóm nghiên cứu liên kết với UNIST đã đạt được những bước tiến thành công trong lĩnh vực này. Công trình của họ đã được công bố trên tạp chí Joule.
Giáo sư Sang Il Seok của Khoa Kỹ thuật Năng lượng và Hóa học tại UNIST, cùng với các nhà nghiên cứu Jongbeom Kim và Jaewang Park, đã phát triển một lớp xen kẽ tận dụng tính đặc hiệu của các cation hữu cơ trên bề mặt của PSC, đồng thời đạt được hiệu suất cao và độ bền.
PSC sử dụng một vật liệu được gọi là perovskite làm lớp hấp thụ ánh sáng. Các ô này tạo ra năng lượng điện bằng cách truyền các chất mang điện tích được tạo ra khi vật liệu hấp thụ ánh sáng hấp thụ ánh sáng mặt trời đến các điện cực. Việc giảm thiểu các khuyết tật trong vật liệu hấp thụ ánh sáng này là điều cần thiết để truyền điện tích hiệu quả đến các điện cực và tăng cường hiệu suất của ô.
Trước đây, nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng các cation hữu cơ đơn lẻ, đặt ra những thách thức như sự sụp đổ về mặt cấu trúc của các màng mỏng do sự di chuyển của các cation riêng lẻ và sự không cân bằng mức năng lượng. Mức năng lượng đóng vai trò là con đường "cầu thang" để di chuyển điện tích; nếu mức năng lượng xen kẽ không cân bằng, có thể xảy ra tình trạng mất điện tích, dẫn đến giảm hiệu suất.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp tiếp cận cation kép để thiết kế lớp xen kẽ ổn định nhiệt. Bằng cách khai thác các tương tác liên phân tử khác nhau của hai loại cation hữu cơ, họ đã ổn định cấu trúc giao diện và căn chỉnh tự nhiên các mức năng lượng có lợi cho quá trình vận chuyển lỗ hiệu quả. Ngoài ra, nồng độ các khuyết tật trong màng mỏng perovskite đã giảm đáng kể, dẫn đến cải thiện đáng kể khả năng giữ điện tích.
Các PSC kết hợp công nghệ lớp xen kẽ này đã đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) ấn tượng là 26,3%, ngang bằng với hiệu suất cao nhất của các ô silicon thương mại. Thành tựu này đã được Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia Hoa Kỳ công nhận vào năm 2023, nơi xác nhận hiệu suất kỷ lục thế giới là 25,82% cho công nghệ này. Hơn nữa, khi được bảo quản ở nhiệt độ phòng trong 9.000 giờ, các ô vẫn duy trì gần 100% hiệu suất ban đầu, chứng tỏ tính ổn định lâu dài đặc biệt.
Jongbeom Kim nhận xét, "Công nghệ này cho thấy một bước tiến đáng kể vì nó cho phép hình thành lớp xen kẽ ổn định thông qua quy trình giải pháp đơn giản, đồng thời cải thiện độ bền và hiệu quả sản xuất của PSC. Sự kết hợp sáng tạo của các cation amoni hữu cơ có tiềm năng to lớn".
Dựa trên nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu phát triển PSC có hiệu suất vượt quá 28% trong khi vẫn duy trì độ bền cao và có kế hoạch tiếp tục nỗ lực hướng tới thương mại hóa công nghệ này.
