Cải thiện hiệu quả của pin mặt trời hoàn toàn bằng polyme
bởi Viện Khoa học và Công nghệ Nara
FFs cao (~ 70%) của pin mặt trời hỗn hợp hoàn toàn bằng polyme đã đạt được do thời gian tồn tại của hạt mang điện lâu hơn do hệ số tái tổ hợp điện tích hai phân tử thấp hơn. Hình thái pha trộn được ưu tiên để ngăn chặn sự tái tổ hợp điện tích hai phân tử được đặc trưng bởi cấu trúc cục bộ có trật tự tốt do sự kết hợp chuỗi của cả chất cho polyme (D) và chất nhận (A). Ảnh: Hiroaki Benten
Pin mặt trời đóng góp quan trọng vào việc cung cấp năng lượng tái tạo, nhưng chất thải từ tấm pin mặt trời sẽ nhanh chóng trở thành một vấn đề lớn. Giờ đây, trong một nghiên cứu được công bố gần đây trên Tạp chí Hóa học Vật liệu A, các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Nara (NAIST) đã nghiên cứu khoa học có thể giúp cải thiện tiện ích của các tế bào năng lượng mặt trời làm từ polyme, có thể sản xuất hàng loạt một cách dễ dàng.
Trên toàn cầu, khoảng một phần ba lượng điện hiện nay là từ các nguồn tái tạo. Các tế bào năng lượng mặt trời làm từ silicon là yếu tố đóng góp chính, nhưng có một vấn đề ngày càng tăng: phải làm gì với các tấm pin sau 30 năm tuổi thọ của chúng. Một bài báo trên tạp chí Chemical & Engineering News vào tháng 5 năm 2022 đã nêu ra vấn đề: ngay cả khi các cơ sở tái chế khung và vỏ của các tấm pin, những phần tử có giá trị nhất hoặc thậm chí là độc hại vẫn được xử lý một cách đơn giản. Với dự báo 80 triệu tấn chất thải tấm pin mặt trời sẽ được sản xuất vào năm 2050, đây là một vấn đề chất thải lớn.
Pin mặt trời dựa trên polyme là một giải pháp khả thi, ít lãng phí hơn. Các tấm như vậy mỏng và linh hoạt, do đó về nguyên tắc là khá linh hoạt. Tuy nhiên, họ có một số vấn đề nhất định; ví dụ: hiệu suất chuyển đổi điện năng thấp hơn silicon. Tác giả tương ứng Hiroaki Benten của Viện Khoa học và Công nghệ Nara cho biết: “Hiệu quả này bị hạn chế đáng kể bởi các yếu tố lấp đầy: thường ít hơn 60%, ngay cả trong các thiết bị tiên tiến. "Khoa học làm cơ sở cho hiệu quả hạn chế của pin mặt trời hỗn hợp hoàn toàn polyme vẫn chưa được khám phá đầy đủ."
Một kết quả đột phá của nghiên cứu này là hệ số lấp đầy cao: 70%, vẫn là 60% ngay cả đối với màng polyme dày vài trăm nanomet. Công nghệ polyme cạnh tranh thể hiện hệ số lấp đầy 40% ở độ dày này. Điều này là do sự tái kết hợp hai phân tử của các điện tử tự do với các lỗ trống tự do đã ức chế đáng kể hoạt động trước đó của hệ số lấp đầy, nhưng đã bị ngăn chặn trong nghiên cứu hiện tại.
Điều gì đã ngăn chặn sự tái tổ hợp hai phân tử trong hỗn hợp polyme? Masakazu Nakamura, tác giả cao cấp, giải thích: “Đã có sự phân định phí đáng kể trong miền nhà tài trợ và người nhận. "Sự kết hợp thích hợp của các chất cho và nhận polymer đã dẫn đến một cấu trúc cục bộ có trật tự về cơ bản của polymer, giúp giữ cho sự phân tách của các điện tử khỏi các lỗ trống."
Ngay cả khi các nhà nghiên cứu giải quyết hoàn toàn vấn đề hiệu quả của pin mặt trời hoàn toàn bằng polyme, họ vẫn sẽ cần cải thiện tuổi thọ 10 năm của các nguyên mẫu nghiên cứu tiên tiến nhất. Các nỗ lực nghiên cứu bổ sung bao gồm tối ưu hóa hình thái phim và thậm chí phát triển các tế bào năng lượng mặt trời polyme / silicon lai, để tối ưu hóa việc thu thập và hiệu quả năng lượng. Trong những năm tới, pin mặt trời có thể trông và hoạt động hoàn toàn khác với — và tốt hơn — công nghệ hiện đại.
