Chất biến tính tinh thể piracetam cung cấp chiến lược có thể mở rộng cho các tế bào năng lượng mặt trời song song toàn perovskite hiệu suất cao
Cơ chế phát triển của màng perovskite WBG. a, b, Sơ đồ quá trình phát triển của màng perovskite WBG sử dụng các dung dịch tiền chất không có (a) (kiểm soát) và có (b) (mục tiêu) piracetam. c, d, Mô hình tính toán DFT của piracetam được hấp phụ trên các mặt (100) (c) và (110) (d) của màng perovskite WBG. (e) Năng lượng bề mặt của các mặt (100) và (110). (F) Năng lượng liên kết của các phân tử piracetam trên các mặt (100) và (110). (g, h,) Ảnh SEM của màng perovskite WBG kiểm soát (g) và mục tiêu (h). Thanh tỷ lệ, 200 nm. i, j, Ảnh lập bản đồ PL của màng kiểm soát (i) và mục tiêu (j) được lắng đọng trên các chất nền phủ HTL. Thanh tỷ lệ, 2 µm. Nguồn: Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01899-z
Pin mặt trời song song toàn perovskite (TSC) là một loại pin mặt trời bao gồm hai hoặc nhiều ô phụ hấp thụ ánh sáng có bước sóng khác nhau, tất cả đều được làm bằng perovskite (tức là vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc trưng được biết là hấp thụ ánh sáng hiệu quả). Các pin mặt trời này được phát hiện là giải pháp năng lượng rất hứa hẹn, vì chúng có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện hiệu quả hơn so với các pin mặt trời silicon hiện có.
Mặc dù có tiềm năng, hầu hết các TSC toàn perovskite được phát triển cho đến nay chỉ hoạt động tốt khi chúng nhỏ và hiệu suất của chúng giảm nhanh khi kích thước của chúng tăng lên. Điều này cuối cùng đã ngăn cản chúng được sản xuất và triển khai trên quy mô lớn.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Vũ Hán và các viện khác ở Trung Quốc gần đây đã giới thiệu một chiến lược mới để nâng cao hiệu suất của TSC toàn perovskite bất kể kích thước của chúng, từ đó có thể góp phần vào quá trình thương mại hóa trong tương lai của chúng. Phương pháp họ đề xuất để chế tạo các ô này, được nêu trong một bài báo được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology, bao gồm việc sử dụng piracetam, một chất phụ gia hóa học có thể giúp kiểm soát giai đoạn đầu của quá trình hình thành tinh thể (tức là quá trình hình thành hạt) trong perovskite có khoảng cách băng rộng.
"TSC toàn perovskite mang lại hiệu suất vượt trội và khả năng ứng dụng linh hoạt", Shiqiang Fu, Shun Zhou và các đồng nghiệp của họ đã viết trong bài báo của họ. "Tuy nhiên, vẫn còn một thách thức đáng kể trong việc thu hẹp khoảng cách hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) giữa các thiết bị có diện tích nhỏ và lớn (>1 cm2), đây là rào cản lớn đối với việc thương mại hóa TSC toàn perovskite. Chúng tôi giới thiệu một tác nhân sửa đổi tinh thể chuyên dụng, piracetam, được thiết kế riêng cho perovskite có khoảng cách băng rộng, đồng nhất các tiểu ô có khoảng cách băng rộng hàng đầu và cho phép xây dựng các TSC diện tích lớn hiệu quả."
Piracetam, một hợp chất tổng hợp có công thức phân tử là C₆H₁₀N₂O₂, lần đầu tiên được giới thiệu vào những năm 1960. Là một phần trong nghiên cứu của mình, các nhà nghiên cứu đã sử dụng hợp chất này làm tác nhân sửa đổi tinh thể, hay cụ thể hơn là để kiểm soát sự phát triển của các tinh thể perovskite và loại bỏ các hợp chất còn lại không mong muốn, cuối cùng là cải thiện hiệu suất của các tế bào năng lượng mặt trời toàn perovskite.
"Piracetam, có thành phần amide và pyrrolidone, ban đầu điều chỉnh quá trình hình thành hạt perovskite, tạo ra các hạt có kích thước lớn, định hướng (110) ưa thích, tăng cường độ kết tinh và các đặc tính quang điện tử đồng nhất", Fu, Zhou và các đồng nghiệp giải thích. "Trong quá trình ủ tiếp theo, nó tiếp tục loại bỏ PbI2 còn sót lại và tạo điều kiện cho sự hình thành các kim nano perovskite một chiều (Pi)PbI3 (Pi = piracetam) tại ranh giới hạt và bề mặt".
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp tiếp cận được đề xuất của họ để tổng hợp các màng perovskite có khoảng cách băng rộng mịn hơn và chất lượng cao, ít khuyết tật hơn và độ kết tinh được cải thiện. Sau đó, họ sử dụng các màng này để tạo ra cả TSC nhỏ và lớn, mà họ đã đánh giá trong một loạt các thử nghiệm.
Fu, Zhou và các đồng nghiệp của họ đã viết: "Các tế bào quang điện có khoảng cách dải 1,77 eV với một mối nối đơn đạt được điện áp mạch hở được chứng nhận là 1,36 V và PCE là 20,35%". "Hơn nữa, TSC perovskite hai đầu cuối đơn khối của chúng tôi, với diện tích khẩu độ là 0,07 cm2 và 1,02 cm2, tạo ra PCE lần lượt là 28,71% (ổn định 28,55%, chứng nhận 28,13%) và 28,20% (ổn định 28,05%, chứng nhận 27,30%), cho thấy tổn thất PCE tối thiểu là 0,51% khi chuyển từ thiết bị diện tích nhỏ sang thiết bị diện tích lớn.
"Ngoài ra, piracetam cho thấy khả năng ứng dụng rộng rãi trên nhiều thành phần perovskite khác nhau, tăng PCE từ 23,56% lên 25,71% đối với các đối tác có khoảng cách băng tần 1,56 eV nối đơn."
Kết quả của nghiên cứu gần đây này làm nổi bật tiềm năng của piracetam như một tác nhân sửa đổi tinh thể để cải thiện chất lượng của màng perovskite có khoảng cách băng tần rộng cho pin mặt trời. Trong tương lai, phương pháp tiếp cận do Fu, Zhou và các đồng nghiệp của ông áp dụng có thể góp phần thúc đẩy sự phát triển của TSC toàn perovskite, thúc đẩy hiệu suất của chúng khi chúng được mở rộng quy mô và tạo điều kiện cho việc áp dụng rộng rãi.
Thông tin thêm: Shiqiang Fu và cộng sự, Piracetam định hình các tinh thể perovskite có khoảng cách băng rộng cho các tandem perovskite có thể mở rộng quy mô, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01899-z
Thông tin tạp chí: Nature Nanotechnology
