Chiến lược hình thành bazơ Lewis theo yêu cầu thúc đẩy hiệu quả và độ ổn định của pin mặt trời perovskite
Ảnh hưởng của quá trình hình thành phân tử SE theo yêu cầu lên quá trình kết tinh của màng perovskite chứa Cs và Rb. Nguồn: Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01900-9
Pin mặt trời dựa trên perovskite, vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc trưng lần đầu tiên được phát hiện trong khoáng chất canxi titanat (CaTiO3), đã nổi lên như một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho pin quang điện thông thường dựa trên silicon. Một lợi thế chính của những vật liệu này là chúng có thể tạo ra hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao (PCE), nhưng chi phí sản xuất của chúng có thể thấp hơn.
Màng perovskite có thể tồn tại ở nhiều dạng cấu trúc khác nhau, còn được gọi là pha. Một trong số đó là pha α (tức là pha đen quang hoạt), đây là pha mong muốn nhất để hấp thụ ánh sáng hiệu quả và vận chuyển các chất mang điện tích. Mặt khác, pha δ là pha trung gian được đặc trưng bởi sự sắp xếp nguyên tử khác nhau và hoạt tính quang giảm.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Toledo, Đại học Northwestern, Đại học Cornell và các viện khác gần đây đã giới thiệu một chiến lược mới để kiểm soát quá trình kết tinh trong pin mặt trời dựa trên perovskite, ổn định pha δ trong khi tạo điều kiện cho quá trình chuyển đổi của chúng sang pha α. Phương pháp tiếp cận được đề xuất của họ, được nêu trong một bài báo trên Nature Energy, cho phép hình thành các bazơ Lewis trên perovskite theo yêu cầu để tối ưu hóa quá trình kết tinh, có thể tăng cường hiệu quả và độ ổn định của pin mặt trời.
"Trong quá trình chế tạo pin mặt trời perovskite dựa trên FAPbI3, các bazơ Lewis đóng vai trò quan trọng trong việc tạo điều kiện cho quá trình hình thành pha α quang điện mong muốn", Sheng Fu, Nannan Sun và các đồng nghiệp của họ đã viết trong bài báo của họ.
"Tuy nhiên, có một mâu thuẫn cố hữu trong vai trò của chúng: chúng phải liên kết mạnh để ổn định pha δ trung gian, nhưng lại liên kết yếu để loại bỏ nhanh chóng nhằm cho phép chuyển pha và phát triển hạt. Để giải quyết mâu thuẫn này, chúng tôi đã giới thiệu một chiến lược hình thành phân tử bazơ Lewis theo yêu cầu."
Ảnh hưởng của sự hình thành theo yêu cầu của các phân tử SE đối với sự hình thành màng perovskite FAPbI3. Nguồn: Fu và cộng sự (Nature Nanotechnology, 2025).
Để kiểm soát đáng tin cậy quá trình kết tinh trong quá trình chế tạo perovskite cho quang điện, Fu, Sun và các đồng nghiệp của họ đã sử dụng các muối hữu cơ có chứa axit Lewis. Các muối này khử proton để tạo ra các bazơ Lewis vào thời điểm mong muốn, nhưng chúng cũng có thể được chuyển đổi trở lại thành muối và dễ dàng loại bỏ khi chúng phục vụ mục đích của chúng.
Các nhà nghiên cứu đã đánh giá tiềm năng của chiến lược đề xuất của họ trong một loạt các thử nghiệm và thấy rằng chúng cho phép kết tinh tối ưu các màng perovskite FAPbI3 pha α. Phương pháp của họ được phát hiện là có thể nâng cao chất lượng của các màng phim, đảm bảo rằng các cation vị trí A được phân bố đồng đều và theo chiều dọc trong khi cũng tạo ra các kích thước hạt lớn hơn và ít lỗ rỗng hơn tại các giao diện chôn.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các màng phim perovskite mà họ tạo ra bằng phương pháp của mình để chế tạo các tế bào năng lượng mặt trời và sau đó cũng thử nghiệm hiệu suất của các tế bào này. Kết quả của họ rất khả quan, vì các tế bào đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng tốt được duy trì sau khi hoạt động liên tục trong thời gian dài.
"Các tế bào năng lượng mặt trời perovskite kết hợp với semicarbazide hydrochloride đạt hiệu suất 26,1%, với hiệu suất trạng thái ổn định gần như được Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia chứng nhận là 25,33%", Fu, Sun và các đồng nghiệp của họ đã viết. "Các tế bào này vẫn giữ được 96% hiệu suất ban đầu sau 1.000 giờ hoạt động ở nhiệt độ 85 °C theo dõi điểm công suất cực đại. Ngoài ra, các mô-đun nhỏ có diện tích khẩu độ là 11,52 cm2 đạt hiệu suất 21,47%".
Chiến lược hình thành bazơ Lewis của nhóm có thể sớm được áp dụng cho các vật liệu perovskite khác, có khả năng đóng góp vào sự tiến bộ của pin mặt trời dựa trên perovskite và việc triển khai trong thế giới thực trong tương lai của chúng. Là một phần trong nghiên cứu của mình, Fu, Sun và các đồng nghiệp đã sử dụng muối semicarbazide hydrochloride chứa axit Lewis, nhưng cách tiếp cận của họ có thể được sao chép bằng bất kỳ muối chứa axit Lewis nào khác có hằng số phân ly axit thấp.
Thông tin thêm: Sheng Fu và cộng sự, Hình thành bazơ Lewis theo yêu cầu để tạo ra pin mặt trời perovskite hiệu quả và ổn định, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01900-9.
Thông tin tạp chí: Nature Nanotechnology, Nature Energy
