Các nhà khoa học phát triển vật liệu năng lượng mặt trời không chứa chì với công tắc tích hợp
bởi Theresa Duque, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley
Hình ảnh hiển vi điện tử quét của các dây nano cesium germanium Tribromide trên nền silicon. Vật liệu năng lượng mặt trời mới do các nhà khoa học của Phòng thí nghiệm Berkeley phát triển mang đến một phương pháp sản xuất pin mặt trời đơn giản và bền vững hơn. Ảnh: Peidong Yang và Ye Zhang / Berkeley Lab
Các tấm pin mặt trời, còn được gọi là quang điện, dựa vào các thiết bị bán dẫn, hoặc pin mặt trời, để chuyển đổi năng lượng từ mặt trời thành điện năng.
Để tạo ra điện, pin mặt trời cần một điện trường để tách các điện tích dương khỏi các điện tích âm. Để có được lĩnh vực này, các nhà sản xuất thường pha tạp chất vào pin mặt trời để một lớp của thiết bị mang điện tích dương và lớp khác mang điện tích âm. Thiết kế nhiều lớp này đảm bảo rằng các điện tử di chuyển từ mặt âm của thiết bị sang mặt dương — một yếu tố quan trọng trong độ ổn định và hiệu suất của thiết bị. Nhưng pha tạp hóa học và tổng hợp phân lớp cũng tạo thêm các bước tốn kém trong sản xuất pin mặt trời.
Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu do các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley của DOE (Phòng thí nghiệm Berkeley) phối hợp với UC Berkeley dẫn đầu, đã chứng minh một giải pháp độc đáo cung cấp một cách tiếp cận đơn giản hơn để sản xuất pin mặt trời: Vật liệu năng lượng mặt trời tinh thể có tích hợp điện trường — một đặc tính được kích hoạt bởi cái mà các nhà khoa học gọi là "chất sắt điện". Tài liệu đã được báo cáo vào đầu năm nay trên tạp chí Science Advances.
Vật liệu sắt điện mới - được trồng trong phòng thí nghiệm từ cesium germanium Tribromide (CsGeBr3 hoặc CGB) - mở ra cánh cửa để tiếp cận dễ dàng hơn với việc chế tạo các thiết bị pin mặt trời. Không giống như các vật liệu năng lượng mặt trời thông thường, tinh thể CGB vốn có tính phân cực, trong đó một mặt của tinh thể tích tụ điện tích dương và mặt kia tích tụ điện tích âm, không cần pha tạp.
Ngoài tính chất sắt điện, CGB còn là "perovskite perovskite" không chứa chì, một loại vật liệu năng lượng mặt trời mới nổi đã thu hút các nhà nghiên cứu về khả năng chi trả và tính dễ tổng hợp của chúng so với silicon. Nhưng nhiều perovskite halogenua hoạt động tốt nhất tự nhiên có chứa nguyên tố chì. Theo các nhà nghiên cứu khác đăng trên tạp chí Materials Today Energy vào năm 2017, chì còn sót lại từ quá trình sản xuất và xử lý vật liệu năng lượng mặt trời perovskite có thể gây ô nhiễm môi trường và gây ra những lo ngại về sức khỏe cộng đồng. Vì những lý do này, các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các công thức perovskite halogenua mới tránh nhiễm chì mà không ảnh hưởng đến hiệu suất.
"Nếu bạn có thể tưởng tượng một vật liệu mặt trời không chứa chì không chỉ thu năng lượng từ mặt trời mà còn có thêm điểm cộng là có điện trường được hình thành tự nhiên, tự nhiên — các khả năng trong ngành công nghiệp điện tử và năng lượng mặt trời là khá thú vị". đồng tác giả cao cấp Peidong Yang, một chuyên gia hàng đầu về vật liệu nano nổi tiếng với công trình tiên phong về dây nano bán dẫn một chiều cho các công nghệ pin mặt trời mới và quang hợp nhân tạo. Ông là nhà khoa học cấp cao trong Phòng Khoa học Vật liệu của Phòng thí nghiệm Berkeley và là giáo sư hóa học, khoa học vật liệu và kỹ thuật tại UC Berkeley.
Đồng tác giả cao cấp Ramamoorthy Ramesh, Ramamoorthy Ramesh, người từng giữ chức danh nhà khoa học cấp cao trong Phòng Khoa học Vật liệu của Phòng thí nghiệm Berkeley và là giáo sư khoa học vật liệu và kỹ sư tại UC Berkeley vào thời điểm nghiên cứu và hiện là phó chủ tịch nghiên cứu tại Đại học Rice.
Phim năng lượng mặt trời Perovskite thường được sản xuất bằng các phương pháp phủ dung dịch chi phí thấp, chẳng hạn như lớp phủ quay hoặc in phun mực. Và không giống như silicon, yêu cầu nhiệt độ xử lý khoảng 2.732 độ F để sản xuất thành thiết bị năng lượng mặt trời, perovskites dễ dàng được xử lý từ dung dịch ở nhiệt độ phòng đến khoảng 300 độ F — và đối với các nhà sản xuất, nhiệt độ xử lý thấp hơn này sẽ giảm đáng kể chi phí năng lượng.
Nhưng bất chấp tiềm năng thúc đẩy lĩnh vực năng lượng mặt trời, vật liệu năng lượng mặt trời perovskite sẽ không sẵn sàng đưa ra thị trường cho đến khi các nhà nghiên cứu vượt qua những thách thức lâu dài trong quá trình tổng hợp và ổn định sản phẩm cũng như tính bền vững của vật liệu.
Ghim xuống perovskite sắt thép hoàn hảo
Perovskites kết tinh từ ba nguyên tố khác nhau; và mỗi tinh thể perovskite được phân định bằng công thức hóa học ABX3
Hầu hết các vật liệu năng lượng mặt trời perovskite không phải là sắt điện vì cấu trúc nguyên tử tinh thể của chúng đối xứng, giống như một bông tuyết. Trong vài thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu năng lượng tái tạo như Ramesh và Yang đã săn lùng các perovskite kỳ lạ có tiềm năng sắt điện — cụ thể là các perovskite không đối xứng.
Cách đây vài năm, tác giả đầu tiên Ye Zhang, khi đó là sinh viên nghiên cứu sinh viên tốt nghiệp UC Berkeley tại phòng thí nghiệm của Yang, đã tự hỏi làm thế nào cô ấy có thể tạo ra một perovskite sắt điện không chì. Cô ấy đưa ra giả thuyết rằng việc đặt một
nguyên tử nium ở trung tâm của một perovskite sẽ làm biến dạng tinh thể của nó chỉ đủ để tạo ra chất sắt điện. Trên hết, một perovskite gốc germani sẽ giải phóng vật liệu là chì. (Zhang hiện là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Northwestern.)
Nhưng ngay cả khi Zhang đã mài dũa được germanium, vẫn còn đó những điều không chắc chắn. Rốt cuộc, việc tạo ra một công thức perovskite sắt điện, không chì tốt nhất giống như mò kim đáy bể. Có hàng ngàn công thức có thể có.
So Yang, Zhang và nhóm hợp tác với Sinéad Griffin, một nhà khoa học thuộc bộ phận Khoa học vật liệu và đúc phân tử của Phòng thí nghiệm Berkeley, người chuyên thiết kế các vật liệu mới cho nhiều ứng dụng, bao gồm cả tính toán lượng tử và vi điện tử.
Với sự hỗ trợ từ Dự án Vật liệu, Griffin đã sử dụng siêu máy tính tại Trung tâm Máy tính Khoa học Nghiên cứu Năng lượng Quốc gia (NERSC) để thực hiện các tính toán lý thuyết nâng cao dựa trên một phương pháp được gọi là lý thuyết hàm mật độ.
Thông qua những tính toán này, lấy cấu trúc nguyên tử và các loài hóa học làm đầu vào và có thể dự đoán các đặc tính như cấu trúc điện tử và chất sắt điện, Griffin và nhóm của cô đã đưa vào CGB, perovskite hoàn toàn vô cơ duy nhất đã kiểm tra tất cả các hộp trên các nhà nghiên cứu ' Danh sách mong muốn perovskite ferrovskite: Nó có bất đối xứng không? Đúng, cấu trúc nguyên tử của nó trông giống như một khối hình thoi, hình chữ nhật, anh em họ của hình chữ nhật. Nó có thực sự là một perovskite? Có, công thức hóa học của nó — CeGeBr3 – khớp với cấu trúc kể của perovskite của ABX3.
Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng vị trí không đối xứng của gecmani ở trung tâm của tinh thể sẽ tạo ra một thế năng, giống như điện trường, tách các điện tử dương khỏi các điện tử âm để tạo ra điện. Nhưng họ đã đúng?
Đo lường tiềm năng sắt điện của CGB
Để tìm hiểu, Zhang đã phát triển các dây nano cực nhỏ (đường kính 100 đến 1.000 nanomet) và các tấm nano (dày khoảng 200 đến 600 nanomet và rộng 10 micron) của CGB đơn tinh thể với khả năng kiểm soát và độ chính xác vượt trội.
Yang cho biết: “Phòng thí nghiệm của tôi đã cố gắng tìm ra cách thay thế chì bằng các vật liệu ít độc hại hơn trong nhiều năm. "Ye đã phát triển một kỹ thuật đáng kinh ngạc để nuôi cấy perovskites germani halogen đơn tinh thể — và đó là một nền tảng tuyệt đẹp để nghiên cứu chất sắt điện."
Các thí nghiệm tia X tại Nguồn sáng nâng cao cho thấy cấu trúc tinh thể không đối xứng của CGB, một tín hiệu của tính sắt điện. Các thí nghiệm bằng kính hiển vi điện tử do Xiaoqing Pan dẫn đầu tại UC Irvine đã phát hiện thêm bằng chứng về tính sắt điện của CGB: một cấu trúc nguyên tử "dịch chuyển" được bù đắp bởi tâm germani.
Trong khi đó, các thí nghiệm đo điện được thực hiện trong phòng thí nghiệm Ramesh của Zhang và Eric Parsonnet, nhà nghiên cứu sinh viên vật lý tốt nghiệp UC Berkeley và đồng tác giả của nghiên cứu, cho thấy một phân cực có thể chuyển đổi trong CGB, đáp ứng một yêu cầu khác đối với chất sắt điện.
Nhưng một thí nghiệm cuối cùng — các phép đo độ dẫn quang trong phòng thí nghiệm UC Berkeley của Yang — đã mang lại một kết quả thú vị và một điều ngạc nhiên. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng khả năng hấp thụ ánh sáng của CGB có thể điều chỉnh được — trải dài từ quang phổ ánh sáng có thể nhìn thấy đến tia cực tím (1,6 đến 3 electron volt), một phạm vi lý tưởng để đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao trong pin mặt trời, Yang nói. Ông lưu ý rằng khả năng đánh bắt như vậy hiếm khi được tìm thấy trong sắt thép truyền thống.
Yang cho biết vẫn còn nhiều việc phải làm trước khi vật liệu CGB có thể ra mắt lần đầu tiên trong một thiết bị năng lượng mặt trời thương mại, nhưng anh ấy rất vui mừng trước kết quả của chúng cho đến nay. Ông nói: “Vật liệu perovskite sắt điện này, về cơ bản là một loại muối, rất linh hoạt. "Chúng tôi mong muốn được kiểm tra tiềm năng thực sự của nó trong một thiết bị quang điện thực sự."
