Chấm lượng tử pha tạp magiê tăng cường độ ổn định của pin mặt trời perovskite/hữu cơ tandem
Đặc điểm của perovskite CsPbI2Br trên các tiếp điểm ETL đáy được điều chế. a, Hồ sơ độ sâu ToF-SIMS của perovskite CsPbI2Br trên chất nền FTO phủ M-SQD. PVK, màng perovskite. b, Phổ hấp thụ UV–vis tại chỗ phân giải theo thời gian của tinh thể perovskite CsPbI2Br trên các tiếp điểm ETL đáy được điều chế. c, Độ hấp thụ phân giải theo thời gian ở bước sóng 500 nm đối với các mẫu. d–f, SEM của perovskite CsPbI2Br trên SQD (trái) và M-SQD (phải) phủ FTO (d), lập bản đồ PL (e) và các mẫu GIWAXS của perovskite CsPbI2Br trên SQD (trái) và M-SQD (phải) phủ FTO (f) của perovskite CsPbI2Br trên nền SQD (M-SQD). g, Hồ sơ cường độ GIWAXS dọc theo hướng qz của màng perovskite. Thanh màu biểu thị cường độ tín hiệu GIWAXS. h, Cực phương vị cường độ (f) dọc theo mặt phẳng (110). Các mặt phẳng (110) được lắp phương pháp phân phối Gauss. Tín dụng: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01742-8
Các giải pháp quang điện (PV), được thiết kế để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện, đang ngày càng trở nên phổ biến trên toàn thế giới. Trong những thập kỷ qua, các kỹ sư chuyên về các giải pháp năng lượng đã cố gắng xác định các thiết kế pin mặt trời và vật liệu PV mới có thể đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng thậm chí còn tốt hơn, đồng thời vẫn duy trì được tính ổn định và hoạt động đáng tin cậy trong thời gian dài.
Nhiều giải pháp PV mới nổi đã chứng minh được tính triển vọng đặc biệt bao gồm pin mặt trời song song dựa trên cả perovskite (một loại vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc trưng) và vật liệu hữu cơ. Pin mặt trời song song perovskite/hữu cơ có thể có giá cả phải chăng hơn so với pin mặt trời silicon hiện có, đồng thời cũng mang lại hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn.
Các pin mặt trời này được sản xuất bằng cách sử dụng perovskite có khoảng cách băng rộng, có khoảng cách băng điện tử lớn hơn 1,6 electronvolt (eV) và do đó có thể hấp thụ các photon năng lượng cao hơn. Mặc dù có khả năng hấp thụ các hạt ánh sáng năng lượng cao được cải thiện, nhưng những vật liệu này có những hạn chế đáng kể, thường ảnh hưởng xấu đến độ ổn định của pin mặt trời.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Bách khoa Hồng Kông gần đây đã đưa ra một chiến lược mới để cải thiện độ ổn định và hiệu quả của pin mặt trời perovskite/hữu cơ tandem. Chiến lược này, được nêu trong một bài báo trên Nature Energy, dựa trên việc sử dụng các chấm lượng tử oxit thiếc pha tạp magiê có tính axit.
"Các perovskite có khoảng cách băng rộng trong pin mặt trời perovskite/hữu cơ tandem nguyên khối phải đối mặt với những thách thức như kết tinh không được kiểm soát, bẫy khuyết tật nghiêm trọng, căn chỉnh năng lượng kém và chuyển pha không mong muốn, chủ yếu là do tiếp xúc giao diện đáy không thuận lợi", Yu Han, JieHao Fu và các đồng nghiệp của họ đã viết trong bài báo của họ.
"Những vấn đề này dẫn đến mất năng lượng và suy thoái thiết bị. Trong bài báo này, chúng tôi tổng hợp các chấm lượng tử oxit thiếc pha tạp magiê có tính axit để điều chỉnh tiếp xúc giao diện đáy trong pin mặt trời perovskite CsPbI2Br có khoảng cách băng rộng".
Tính chất của M-SQD axit với các tính năng có thể điều chỉnh và tính toán lý thuyết DFT. Nguồn: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01742-8
Các chấm lượng tử là các hạt bán dẫn ở kích thước nano thể hiện các tính chất quang học và điện tử độc đáo. Các nhà nghiên cứu đã tổng hợp các chấm lượng tử được pha tạp với magiê axit và sau đó sử dụng chúng để tăng cường kết nối giữa lớp perovskite và vật liệu bên dưới trong các tế bào năng lượng mặt trời perovskite/hữu cơ.
"Thiết kế này cân bằng các tính chất vật lý, hóa học, cấu trúc và năng lượng, các khuyết tật thụ động, tối ưu hóa sự liên kết dải năng lượng, tăng cường sự phát triển của màng perovskite và giảm thiểu sự bất ổn định", các nhà nghiên cứu viết. "Chúng tôi cũng làm sáng tỏ cơ chế bất ổn định do tiếp xúc đáy oxit thiếc gốc kiềm, nhấn mạnh tác động của các tính chất axit/bazơ của dung dịch oxit thiếc đối với độ ổn định và hiệu suất của thiết bị".
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng chiến lược thiết kế mới dựa trên chấm lượng tử của họ để tạo ra một tế bào quang điện CsPbI2Br có khoảng cách băng thông rộng và sau đó thử nghiệm hiệu suất của tế bào này trong một loạt các thử nghiệm. Kết quả của họ rất hứa hẹn, vì phương pháp của họ mang lại hiệu suất chuyển đổi năng lượng tốt, đồng thời cũng tăng cường độ ổn định của tế bào quang điện trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau.
"Tế bào quang điện CsPbI2Br có khoảng cách băng thông rộng đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 19,2% với điện áp mạch hở 1,44 V", các nhà nghiên cứu viết. "Tế bào quang điện perovskite/hữu cơ song song chứng tỏ hiệu suất là 25,9% (được chứng nhận là 25,1%), với độ ổn định được cải thiện trong nhiều điều kiện khác nhau".
Công trình gần đây của Han, Fu và các cộng sự của họ có thể góp phần vào sự phát triển của tế bào quang điện perovskite/hữu cơ song song, có khả năng tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai rộng rãi trong tương lai. Chiến lược dựa trên chấm lượng tử mà họ phát triển có thể sớm được cải tiến hơn nữa và áp dụng cho các tế bào quang điện tương tự dựa trên các vật liệu khác.
