Đại học Waseda và các trường đối tác mở rộng khả năng phát điện của pin mặt trời perovskite

Đại học Waseda và các trường đối tác mở rộng khả năng phát điện của pin mặt trời perovskite
Ngày 30 tháng 10 năm 2025 

Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Waseda và Đại học Toin Yokohama đã phát triển một công nghệ cho phép cố định các phân tử thuốc nhuộm hữu cơ hấp thụ ánh sáng cận hồng ngoại yếu lên các hạt nano chứa nguyên tố đất hiếm, sau đó chuyển đổi ánh sáng đó thành ánh sáng khả kiến thông qua hiện tượng chuyển đổi ngược (upconversion) – quá trình biến đổi ánh sáng năng lượng thấp thành ánh sáng năng lượng cao.
Bằng cách tích hợp các hạt nano này vào pin mặt trời perovskite, nhóm nghiên cứu đã chuyển đổi thành công ánh sáng cận hồng ngoại thành điện năng. Kết quả nghiên cứu được công bố vào ngày 28 tháng 10.

Thông thường, pin mặt trời perovskite chỉ sử dụng ánh sáng trong vùng khả kiến, tuy nhiên cũng có thể tận dụng ánh sáng cận hồng ngoại bằng cách sử dụng thiếc (Sn) làm kim loại chính. Dù vậy, các perovskite chứa thiếc vẫn có chất lượng kém hơn loại chứa chì, và do có khoảng cách dải năng lượng (bandgap) hẹp tương tự silicon, điện áp mạch hở giảm xuống dưới 0,9 V, khiến hiệu suất chuyển đổi thấp.

Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu tập trung vào công nghệ chuyển đổi ngược, cho phép tận dụng ánh sáng cận hồng ngoại năng lượng thấp bằng cách chuyển đổi nó thành ánh sáng khả kiến năng lượng cao.
Các hạt nano chứa ion đất hiếm từ lâu đã được chú ý trong các lĩnh vực như thiết bị quang học và hình ảnh sinh học, nhưng khả năng hấp thụ ánh sáng yếu khiến chúng chỉ phát xạ mạnh dưới nguồn sáng công suất lớn như laser – điều này gây khó khăn khi áp dụng trong điều kiện ánh sáng tự nhiên.

Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã đề xuất sử dụng thuốc nhuộm hữu cơ để tăng độ nhạy sáng. Các thuốc nhuộm này hấp thụ mạnh trong vùng cận hồng ngoại, và khi kết hợp với ion đất hiếm, có thể bù đắp nhược điểm hấp thụ ánh sáng yếu. Tuy nhiên, vẫn tồn tại các thách thức như độ ổn định liên kết giữa thuốc nhuộm và hạt nano, cũng như tính tương thích với vật liệu perovskite.

Nhóm nghiên cứu hiện đã phát triển được “các hạt nano chuyển đổi ngược gắn thuốc nhuộm hữu cơ bằng liên kết hóa học”.
Cụ thể, họ sử dụng Indocyanine Green (ICG) – một loại thuốc nhuộm hữu cơ có khả năng hấp thụ mạnh ánh sáng cận hồng ngoại – và cố định nó lên bề mặt các hạt nano chứa ion đất hiếm. ICG hấp thụ hiệu quả ánh sáng cận hồng ngoại từ ánh sáng mặt trời, rồi truyền năng lượng cho các ion đất hiếm bên trong hạt, khiến ánh sáng khả kiến được phát ra ngay cả khi cường độ hồng ngoại yếu.

Hơn nữa, nhóm nghiên cứu đã áp dụng một phương pháp xử lý giao diện mới, phủ bề mặt các hạt nano bằng lớp perovskite CsPbBr₃. Cách này giúp giảm tổn thất năng lượng trên bề mặt hạt và tăng độ tương thích với lớp perovskite CsPbI₃ trong pin mặt trời.
Khi tích hợp các hạt nano cải tiến này vào pin mặt trời CsPbI₃, mật độ dòng điện tăng đáng kể so với pin thông thường. Họ đã duy trì được điện áp mạch hở gần 1,2 V trong khi đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng trên 16%, đồng thời bổ sung được khả năng hấp thụ ánh sáng cận hồng ngoại.

Giới hạn lý thuyết của hiệu suất pin mặt trời thông thường (giới hạn Shockley–Queisser) được xác định dựa trên khoảng cách dải năng lượng của lớp hấp thụ sáng. Kết quả này cho thấy khả năng vượt qua giới hạn đó bằng cách chuyển đổi ánh sáng cận hồng ngoại thành ánh sáng khả kiến và thu nhận nó, mang ý nghĩa học thuật to lớn.

Để hướng đến thương mại hóa, cần tiến hành đánh giá độ bền lâu dài của thuốc nhuộm và hạt nano, đảm bảo hoạt động ổn định trong thời gian dài. Ngoài ra, do nghiên cứu hiện sử dụng vật liệu chứa chì, cần phát triển vật liệu không chứa chì để giảm tác động môi trường.
Các hướng phát triển tiếp theo bao gồm mở rộng quy mô công nghệ cho các tấm pin diện tích lớn và phát triển thêm các loại thuốc nhuộm và hạt nano hiệu quả hơn nhằm nâng cao hơn nữa hiệu suất của pin mặt trời perovskite.