Chiến lược thụ động hóa vô định hình tạo ra các tế bào quang điện perovskite hiệu quả, bền bỉ và linh hoạt
Ngày 27 tháng 1 năm 2026
Hình ảnh TEM của các tinh thể perovskite được phủ một lớp vô định hình. Nguồn: Nature Energy (2026). DOI: 10.1038/s41560-025-01932-4.
Các tế bào quang điện, thiết bị chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, đang giúp giảm phát thải khí nhà kính trên toàn thế giới, thúc đẩy sự chuyển đổi sang các nguồn năng lượng tái tạo. Hầu hết các tế bào quang điện được sử dụng hiện nay đều dựa trên silicon, tuy nhiên các nhà nghiên cứu gần đây đã khám phá tiềm năng của các vật liệu quang điện khác, đặc biệt là perovskite.
Perovskite là một loại vật liệu quang điện có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh. Trong các thiết bị thực tế, màng mỏng perovskite thường là đa tinh thể, nghĩa là chúng bao gồm nhiều hạt tinh thể nhỏ. Do vật liệu perovskite hấp thụ ánh sáng mặt trời rất hiệu quả, một lớp màng mỏng hơn ~1 μm có thể thu được hầu hết bức xạ mặt trời chiếu tới, trong khi silicon tinh thể thông thường thường cần hàng trăm micromet vật liệu hoạt tính.
Sự kết hợp giữa khả năng hấp thụ mạnh mẽ và lớp hoạt tính siêu mỏng này làm cho pin mặt trời màng mỏng perovskite đặc biệt phù hợp cho các thiết bị quang điện nhẹ, linh hoạt và hiệu suất cao. Mặc dù có nhiều ưu điểm như vậy, perovskite vẫn phải đối mặt với những thách thức cố hữu, chẳng hạn như đạt được tính linh hoạt cơ học thực sự, độ ổn định hoạt động và duy trì hiệu suất cao trên diện tích lớn cùng một lúc.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tế Nam và Công ty TNHH Năng lượng Mellow Quảng Đông ở Trung Quốc gần đây đã đưa ra một chiến lược mới có thể cho phép phát triển các pin mặt trời perovskite linh hoạt và nhẹ, duy trì hiệu suất theo thời gian, ngay cả sau khi uốn cong nhiều lần.
Phương pháp của họ, được giới thiệu trong một bài báo được công bố trên tạp chí Nature Energy, bao gồm việc sử dụng các kỹ thuật thụ động hóa và các phân tử bảo vệ mới được thiết kế với sự hỗ trợ của các thuật toán học máy.
“Đặc tính nhẹ, linh hoạt và chống sốc là những ưu điểm vốn có của pin quang điện màng mỏng perovskite, điều này đã thúc đẩy chúng tôi bắt đầu nghiên cứu về các mô-đun perovskite linh hoạt từ rất sớm,” Tiến sĩ Shaohang Wu, đồng tác giả của bài báo, cho biết với Tech Xplore.
“Tuy nhiên, khi công việc của chúng tôi tiến tới các ứng dụng thực tế, chúng tôi ngày càng nhận ra những thách thức cơ bản thường bị bỏ qua ở quy mô phòng thí nghiệm. Cụ thể, các thiết bị perovskite linh hoạt đòi hỏi các chiến lược thụ động hóa được thiết kế riêng cho các hệ thống linh hoạt—các phương pháp này phải khác biệt về cơ bản so với các phương pháp được sử dụng cho các mô-đun cứng.”
So với silicon tinh thể, perovskite là vật liệu tương đối “mềm”, vì vậy dưới tác động của ứng suất hoặc áp lực cơ học, mạng tinh thể của chúng có thể biến dạng dễ dàng hơn. Sự biến dạng như vậy có thể làm thay đổi các đặc tính quang điện của chúng và do đó làm giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng quang điện.
“Nhiều chiến lược thụ động hóa thường được sử dụng được thiết kế để hoạt động cho perovskite tinh thể chiều thấp, do đó chúng có thể hiệu quả đối với các thiết bị cứng nhưng về bản chất lại kém phù hợp hơn đối với các hệ thống linh hoạt,” Tiến sĩ Wu nói.
“Điều này đã dẫn chúng tôi xem xét lại các công nghệ bán dẫn linh hoạt đã phát triển. Ví dụ, trong các bóng bán dẫn màng mỏng linh hoạt (TFT), silicon vô định hình và IGZO vô định hình được sử dụng rộng rãi, trong khi silicon vô định hình cũng là lớp thụ động hóa tiêu chuẩn trong các pin mặt trời silicon dị thể (HJT).”
Thiết kế các phân tử bảo vệ mới bằng máy học
Dựa trên nghiên cứu trước đó, Tiến sĩ Wu và các đồng nghiệp nhận ra rằng vật liệu vô định hình (tức là chất rắn trong đó các nguyên tử hoặc phân tử được sắp xếp theo các mô hình không đều) có thể phù hợp hơn cho việc phát triển pin mặt trời linh hoạt. Trên thực tế, các tính chất điện tử của các vật liệu này có xu hướng không thay đổi nhiều khi chúng bị uốn cong hoặc biến dạng.
“Mục tiêu chính của công việc chúng tôi là tận dụng các vật liệu này để phát triển các tấm quang điện perovskite linh hoạt không chỉ hiệu quả mà còn bền vững về mặt cơ học và có tính ứng dụng thực tiễn,” Tiến sĩ Wu giải thích.
"Màng perovskite thường là đa tinh thể, bao gồm nhiều hạt nhỏ trên chất nền PET dẻo. So với silicon tinh thể, perovskite tương đối mềm và dễ bị biến dạng mạng tinh thể do ứng suất.
"Khi thiết bị bị uốn cong, sự không phù hợp trong phản ứng cơ học có thể dẫn đến tương tác giữa các hạt và sự dịch chuyển tương đối, gây ra các vết nứt nhỏ, hư hỏng giao diện, hoặc thậm chí là bong tróc một phần. Những hư hỏng cơ học này cuối cùng làm thay đổi các đặc tính quang điện và làm giảm hiệu suất của thiết bị."
Để khắc phục hạn chế đã biết này của pin quang điện perovskite dẻo, các nhà nghiên cứu đã thêm một vật liệu vô định hình mềm giữa các hạt perovskite riêng lẻ. Lớp này hoạt động như một lớp đệm cơ học, ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp giữa các hạt perovskite cứng khi màng quang điện bị uốn cong hoặc biến dạng.
"Điều này có nghĩa là ứng suất cơ học có thể được hấp thụ và phân bố lại, thay vì tập trung tại ranh giới giữa các hạt," Tiến sĩ Wu cho biết.
"Lớp vô định hình này phải được thiết kế cẩn thận, vì nó cần phải duy trì..."
Ổn định về mặt quang điện dưới tác động nén và biến dạng, giữ nguyên các đặc tính điện tử và quang điện của nó. Bằng cách đạt được sự cân bằng này, chúng ta có thể cải thiện đáng kể độ bền cơ học của các tấm pin quang điện perovskite dẻo mà không làm giảm hiệu suất, điều này rất cần thiết cho các ứng dụng thực tiễn và có thể mở rộng quy mô."
Để thiết kế lớp vô định hình, các nhà nghiên cứu đã dựa vào các kỹ thuật học máy—các mô hình tính toán có thể phát hiện ra các mẫu trong các tập dữ liệu lớn. Vật liệu mà họ xác định đã cho phép các tế bào năng lượng mặt trời dẻo đạt hiệu suất cao 24,52%. Đáng chú ý, các tế bào này vẫn giữ được 92,5% hiệu suất ban đầu sau 10.000 chu kỳ uốn cong.
Ứng dụng ngoài trời của một mô-đun năng lượng mặt trời perovskite dẻo 1,56 mét vuông. Nguồn: Nature Energy (2026). DOI: 10.1038/s41560-025-01932-4
Quan trọng hơn, chiến lược này cũng cho phép hiện thực hóa một mô-đun perovskite dẻo quy mô mét vuông chưa từng có. Nhóm nghiên cứu đã chế tạo một mô-đun 1,56 m² với hiệu suất được chứng nhận là 15%, đánh dấu một cột mốc quan trọng. Điều này đưa công nghệ pin mặt trời perovskite linh hoạt vượt ra khỏi giai đoạn trình diễn quy mô nhỏ và hướng tới việc triển khai thực tế, sẵn sàng cho sử dụng ngoài trời.
Hướng tới việc triển khai pin mặt trời perovskite trong tương lai
Thiết kế và chiến lược thụ động hóa mới được nhóm nghiên cứu này giới thiệu có thể góp phần vào việc thương mại hóa pin mặt trời perovskite mỏng và linh hoạt trong tương lai. Các kỹ sư năng lượng khác có thể sớm lấy cảm hứng từ chiến lược này và bắt đầu nâng cao độ bền của pin mặt trời perovskite bằng cách sử dụng các lớp bảo vệ vô định hình khác được thiết kế cẩn thận.
"Trong công trình này, chúng tôi giới thiệu một khái niệm hoàn toàn khác bằng cách xây dựng một lớp thụ động hóa composite vô định hình dựa trên hệ thống phân tử chủ-khách tương tác với các loài Pb-I," Tiến sĩ Wu cho biết.
"Thông qua thiết kế phân tử, chúng tôi đạt được sự điều chỉnh mức năng lượng hiệu quả trong khi vẫn duy trì cấu trúc vô định hình." Điều này cho phép lớp thụ động hóa duy trì sự ổn định về điện tử và cấu trúc dưới tác động uốn cong lặp đi lặp lại và hoạt động kéo dài."
Pin mặt trời perovskite dẻo mang đến một triển vọng ứng dụng rất hứa hẹn, và sự phát triển gần đây của pin mặt trời trong không gian đã mở rộng hơn nữa các cơ hội cho công nghệ này. Điều này là do môi trường không gian phần lớn loại bỏ sự tiếp xúc với độ ẩm và oxy, hai yếu tố mà perovskite đặc biệt nhạy cảm.
Để được triển khai trong không gian, pin mặt trời cần phải vừa nhẹ vừa có hiệu suất cao. Ngược lại, trên Trái đất, thách thức chính là sự ổn định lâu dài ngoài trời, điều này phụ thuộc rất nhiều vào lớp bao bọc để giảm thiểu tác động bất lợi của sự xâm nhập của nước và oxy. Điều này đặc biệt quan trọng vì lớp bao bọc hiện có thể chiếm tới 40% tổng chi phí của các mô-đun dẻo.
"Do đó, các nghiên cứu tiếp theo của chúng tôi sẽ tập trung vào hai ưu tiên: đẩy tỷ lệ công suất trên trọng lượng lên cao hơn nữa và giảm chi phí bao bọc để cải thiện giá trị tổng thể và khả năng thương mại," Tiến sĩ Wu nói thêm.
"Các mô-đun dẻo và cứng phải đối mặt với những thực tế đóng gói khác nhau về cơ bản." Đối với các mô-đun cứng, công nghệ đóng gói bằng kính kép đã được hoàn thiện, đáng tin cậy và có chi phí tương đối thấp. Tuy nhiên, công nghệ đóng gói linh hoạt lại phụ thuộc nhiều vào màng chắn hơi nước, vốn đắt tiền và có sự biến động đáng kể về hiệu suất, chất lượng và giá cả giữa các nhà cung cấp.
"Mục tiêu của chúng tôi là tăng cường khả năng chống ẩm và chịu nhiệt vốn có của các mô-đun linh hoạt, đồng thời phát triển các giải pháp đóng gói mạnh mẽ, có khả năng mở rộng, chi phí thấp hơn và phù hợp cho hoạt động thực tế ngoài trời."
