Chiến lược thụ động hóa mới cải thiện khả năng mở rộng và hiệu quả của pin mặt trời perovskite
Tác giả: Ingrid Fadelli, Phys.org
Sự thâm nhập và xen kẽ của các phối tử. Nguồn: Wang và cộng sự (Nature Energy, 2025).
Pin mặt trời, thiết bị có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện, đang ngày càng trở nên phổ biến, với nhiều hộ gia đình và ngành công nghiệp trên toàn thế giới hiện đang dựa vào chúng như một nguồn điện. Mặc dù pin quang điện dựa trên silicon tinh thể và các loại pin mặt trời phổ biến khác hoạt động tương đối tốt, nhưng việc sản xuất chúng có thể tốn kém và chúng không hoạt động tốt trong điều kiện thiếu sáng hoặc các điều kiện bất lợi khác.
Do đó, các kỹ sư năng lượng tái tạo đã cố gắng phát triển các loại pin mặt trời thay thế dễ sản xuất hơn, đồng thời cũng chuyển đổi hiệu quả ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện. Chúng bao gồm pin mặt trời perovskite, thiết bị quang điện dựa trên perovskite, vật liệu hấp thụ ánh sáng có cấu trúc tinh thể đặc trưng giống với khoáng chất canxi titanat (CaTiO₃).
Mặc dù có hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) tốt, hầu hết các tế bào quang điện perovskite được phát triển cho đến nay đều bị suy giảm nhanh chóng theo thời gian do các khuyết tật trên bề mặt của các lớp perovskite có thể giữ lại các chất mang điện tích. Các chiến lược thụ động hóa, nhằm mục đích trung hòa các khuyết tật này, có thể giúp khắc phục những hạn chế của các tế bào quang điện perovskite hiện có, cuối cùng là cải thiện hiệu suất lâu dài của chúng và tạo điều kiện cho việc áp dụng chúng trên diện rộng.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Westlake, Đại học Chiết Giang và các viện khác ở Trung Quốc gần đây đã giới thiệu một chiến lược thụ động hóa mới có thể trung hòa các bất thường về điện tử trong nhiều loại perovskite và cũng dễ tích hợp hơn với các quy trình sản xuất tế bào quang điện hiện có so với các phương pháp thụ động hóa khác đã được giới thiệu trước đây. Chiến lược này, được nêu trong một bài báo được công bố trên tạp chí Nature Energy, dựa vào việc sử dụng dung môi cồn biến tính có tên là isopropanol flo, giúp hạn chế các phản ứng hóa học không mong muốn giữa tác nhân thụ động hóa và các lớp perovskite.
"Thụ động hóa khuyết tật bề mặt là yếu tố quan trọng để cải thiện hiệu suất và độ ổn định của pin mặt trời perovskite", Sisi Wang, Weizhong Tian và các đồng nghiệp đã viết trong bài báo của họ. "Tuy nhiên, khả năng tái tạo và khả năng ứng dụng phổ biến của nó vẫn chưa được khám phá đầy đủ, hạn chế sản xuất quy mô lớn. Chúng tôi giới thiệu một chiến lược thụ động hóa dựa trên isopropanol flo để thụ động hóa hoàn toàn các khuyết tật bề mặt chỉ với một lớp mỏng perovskite có chiều thấp, không ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển điện tích".
Thụ động hóa bão hòa thông qua phương pháp nhúng (chiến lược SP dựa trên nhúng). Nguồn: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01791-z
Nhiều chiến lược được đề xuất trước đây để trung hòa các khuyết tật trên các lớp perovskite không áp dụng phổ biến cho các vật liệu và loại pin mặt trời khác nhau. Hơn nữa, chúng thường không đạt được kết quả nhất quán trên các lô vật liệu giống nhau, do đó sẽ khó có thể triển khai đáng tin cậy trên quy mô lớn.
Ngược lại, chiến lược thụ động hóa do Wang, Tian và các đồng nghiệp giới thiệu được phát hiện là hiệu quả đối với các tế bào quang điện perovskite có thiết kế cơ bản và thành phần vật liệu khác nhau. Chiến lược này bao gồm rửa perovskite bằng hỗn hợp isopropanol flo và isopropanol tiêu chuẩn, các dung môi đảm bảo loại bỏ các hóa chất dư thừa, do đó tăng cường tính đồng nhất của các lớp perovskite.
"Isopropanol flo làm giảm khả năng phản ứng của các phân tử thụ động hóa với perovskite và cho phép sử dụng nồng độ thụ động hóa cao, đảm bảo thụ động hóa khuyết tật hoàn toàn", Wang, Tian và các đồng nghiệp viết.
"Việc rửa tiếp theo bằng hỗn hợp dung môi isopropanol flo và isopropanol loại bỏ phân tử thụ động hóa dư thừa. Chúng tôi chứng minh rằng chiến lược này có cửa sổ xử lý rộng với khả năng chịu đựng cao đối với các độ lệch so với nồng độ thụ động hóa và có thể áp dụng cho nhiều kiến trúc thiết bị, thành phần perovskite và khu vực thiết bị khác nhau".
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng chiến lược thụ động hóa của họ để chuẩn bị các màng perovskite đồng nhất, sau đó họ sử dụng chúng để chế tạo các tế bào quang điện. Khi họ thử nghiệm hiệu suất của các tế bào quang điện này, họ thấy rằng chúng luôn thể hiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao.
Vì chiến lược do Wang, Tian và các đồng nghiệp của họ phát triển có thể dễ dàng tích hợp với các quy trình sản xuất hiện có và dường như đạt được kết quả nhất quán hơn, nên cuối cùng nó có thể góp phần vào sản xuất công nghiệp quy mô lớn và tiết kiệm chi phí của các tế bào quang điện perovskite. Trong tương lai, các nhóm nghiên cứu khác có thể áp dụng cùng một chiến lược hoặc điều chỉnh chiến lược đó cho các tế bào quang điện của riêng họ để cải thiện tính đồng nhất và hiệu suất của chúng.
Được viết cho bạn bởi tác giả của chúng tôi Ingrid Fadelli, biên tập bởi Gaby Clark và được Robert Egan kiểm tra thực tế và đánh giá — bài viết này là kết quả của công sức lao động cẩn thận của con người. Chúng tôi tin tưởng vào những độc giả như bạn để duy trì báo chí khoa học độc lập. Nếu
đang báo cáo vấn đề với bạn, vui lòng cân nhắc quyên góp (đặc biệt là hàng tháng). Bạn sẽ nhận được một tài khoản không có quảng cáo như một lời cảm ơn.
Thông tin thêm: Sisi Wang và cộng sự, Isopropanol flo để cải thiện khả năng thụ động hóa khuyết tật và khả năng tái tạo trong pin mặt trời perovskite, Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01791-z.
Thông tin tạp chí: Nature Energy
