Đại học Kyoto phát triển pin mặt trời perovskite không chì với công nghệ lắng đọng đồng nhất trên diện tích lớn.

18/11/2025

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Kyoto đã phát triển công nghệ chế tạo "pin mặt trời perovskite gốc thiếc" không chứa chì, cho phép lắng đọng đồng đều trên diện tích lớn, điều mà trước đây rất khó thực hiện. Nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu thương mại hóa loại pin mặt trời thế hệ mới này với tác động môi trường thấp vào khoảng năm 2030.

Các công nghệ thay thế được yêu cầu theo quy định về chì ở châu Âu và các nơi khác.

Hình ảnh màng mỏng perovskite thiếc đa năng, chất lượng cao (Nguồn: Đại học Kyoto)

Một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Atsushi Wakamiya thuộc Viện Nghiên cứu Hóa học, Đại học Kyoto dẫn đầu, đang phát triển công nghệ để thương mại hóa pin mặt trời perovskite gốc thiếc. Pin mặt trời perovskite gốc chì truyền thống đã đạt được hiệu suất chuyển đổi khoảng 26%, gần với giới hạn lý thuyết, nhưng thách thức lớn là chuyển sang vật liệu không chứa chì để giảm tác động đến môi trường.

Giáo sư Wakamiya giải thích: "Các hạn chế về việc sử dụng chì đang lan rộng, đặc biệt là ở châu Âu, và đây là một vấn đề cấp bách cần được giải quyết nếu các công ty trong nước muốn mở rộng sang châu Âu." Nghiên cứu bắt đầu từ năm 2012, và hiện ông đang đồng thời thực hiện một dự án của Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp về ứng dụng thực tiễn của vật liệu gốc chì, và một dự án của Cơ quan Khoa học và Công nghệ Nhật Bản (JST) về phát triển công nghệ không chì hướng đến thế hệ tiếp theo.

Các chất bán dẫn perovskite gốc thiếc là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn, nhưng hiện tại chỉ cung cấp hiệu suất chuyển đổi khoảng 10 đến 17 phần trăm, chưa bằng một nửa hiệu suất của các chất bán dẫn gốc chì. Giáo sư Wakamiya chỉ ra lý do cho điều này, nói rằng, "Thiếc không ổn định và dễ bị biến đổi khi phản ứng với oxy trong không khí. Nó phản ứng với ngay cả một lượng oxy nhỏ nhất và bị oxy hóa, khiến quá trình sản xuất trở nên vô cùng khó khăn."
 

Phát triển phương pháp V-CGR độc đáo
để cách mạng hóa ngành sản xuất.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp gọi là "làm nguội chân không với chất điều chỉnh tăng trưởng tinh thể (phương pháp V-CGR)", bao gồm việc thêm 1-vinylimidazole làm chất điều chỉnh tăng trưởng tinh thể vào tiền chất và loại bỏ dung môi bằng cách sấy khô chân không thay vì phương pháp nhỏ giọt chất chống dung môi thông thường. Phương pháp này cho phép hình thành các màng mỏng perovskite thiếc dày đặc và đồng nhất thông qua một pha trung gian vô định hình, và không dễ bị ảnh hưởng bởi khả năng thấm ướt của chất nền.

Phương pháp này cho phép tạo ra các màng chất lượng cao ngay cả trên các lớp đơn phân tử kỵ nước (MeO-2PACz/2PACz). Hơn nữa, phương pháp này được thiết kế sao cho các chất phụ gia được loại bỏ một cách tự nhiên trong quá trình gia nhiệt, giúp sắp xếp lại cấu trúc tinh thể. Điều này có nghĩa là các thiết bị trước đây nhạy cảm với nhiệt và dễ bị suy giảm hiệu suất giờ đây có thể duy trì hiệu suất ổn định trong thời gian dài ngay cả ở nhiệt độ cao.

So sánh với các phương pháp thông thường (Nguồn: Đại học Kyoto)

Hơn nữa, vì không sử dụng chất chống dung môi, phương pháp này phù hợp cho việc phủ lớp trên diện tích lớn, và việc tạo màng mỏng đồng nhất đã được chứng minh trên chất nền vuông 7,5 cm và mô-đun bảy tầng với diện tích thiết bị là 21,6 cm2. Giáo sư Wakamiya tự hào tuyên bố: "Khi phủ lớp theo phương pháp cuộn-cuộn, nó có thể được phủ đồng nhất và theo cùng một cách xuyên suốt. Ngay cả khi sản xuất một sản phẩm lớn và cắt rời từng phần, chúng tôi đã xác nhận rằng mỗi mảnh đều cho thấy hiệu suất đồng nhất khoảng 10%. Điều này đang trở thành một khả năng thực tế để triển khai nó trên quy mô công nghiệp."

Một ưu điểm quan trọng khác là nó không bị ảnh hưởng bởi khả năng thấm ướt của chất nền. "Cho đến nay, chúng tôi bị hạn chế bởi khả năng thấm ướt, nhưng giờ đây chúng tôi đã chứng minh rằng việc tạo màng là có thể thực hiện được bất kể loại chất nền nào. Điều này sẽ mở ra những khả năng mới để kết hợp nó với các vật liệu phụ trợ, và sẽ nâng cao hiệu suất tổng thể của các pin mặt trời không chì," ông nói với hy vọng.

Nó có thể được hình thành trên một lớp đơn phân tử kỵ nước, có độ ổn định nhiệt cao và có thể được ứng dụng để phủ diện tích lớn (Nguồn: Đại học Kyoto).

Hướng tới ứng dụng thực tiễn trong vòng 5 năm, khoảng năm 2030.

Về trình độ công nghệ hiện tại, Giáo sư Wakamiya phân tích: "Các vật liệu và phụ gia thế hệ thứ hai đã được phát triển và các nguyên lý đã được hiểu rõ. Tuy nhiên, rõ ràng là vẫn còn chỗ để cải thiện chất lượng."

Giáo sư Wakamiya dự đoán rằng việc ứng dụng thực tiễn sẽ diễn ra trong vòng 5 năm nữa, khoảng năm 2030. "Việc sản xuất hàng loạt các vật liệu gốc chì sẽ bắt đầu vào khoảng năm 2026, vì vậy chúng tôi dự đoán rằng việc chuyển giao công nghệ không chì sẽ khả thi vào khoảng năm 2030. Hiện tại, chúng tôi đang phát triển song song thiết bị nhà máy tự động và đang chuẩn bị thiết bị có khả năng sản xuất thiếc, một chất không ổn định trong không khí", ông nói.

Sau đó, ông bày tỏ sự nhiệt tình của mình, nói rằng: "Đây là nghiên cứu mà các công ty tư nhân không thể thực hiện được. Bởi vì nó phản ứng với oxy trong không khí, nên rất khó trừ khi bạn cực kỳ ám ảnh về vi trùng. Nhưng đó là lý do tại sao chúng tôi làm điều này. Tôi cũng là người sáng lập công ty khởi nghiệp Enecoat Technologies, và tôi đang nỗ lực chuyển đổi các nghiên cứu cơ bản được thực hiện tại trường đại học thành các ứng dụng thực tiễn."

Kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí ACS Energy Letters của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ vào ngày 19 tháng 9 năm 2025 và đang thu hút sự chú ý từ ngành công nghiệp như một mục tiêu trung gian quan trọng hướng tới ứng dụng thực tiễn của các pin mặt trời thế hệ tiếp theo với tác động môi trường thấp.