Điều chỉnh cấu trúc phân tử tinh tế giúp tăng hiệu suất pin mặt trời song song lên 31,4%

Điều chỉnh cấu trúc phân tử tinh tế giúp tăng hiệu suất pin mặt trời song song lên 31,4%
bởi Đại học Ludwig Maximilian Munich

Tóm tắt đồ họa. Nguồn: Joule (2025). DOI: 10.1016/j.joule.2025.102227

Pin mặt trời song song perovskite-silicon được coi là công nghệ chủ chốt cho quang điện. Nhờ thiết kế của chúng, chúng sử dụng ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn so với các pin silicon thông thường. Trong khi lớp perovskite phía trên hấp thụ phần quang phổ màu xanh lam có năng lượng cao, lớp silicon bên dưới thu nhận phần màu đỏ. Sự tương tác giữa hai vật liệu cho phép thu hoạch được lượng năng lượng mặt trời nhiều hơn đáng kể.

Một nhóm nghiên cứu quốc tế do Tiến sĩ Erkan Aydin, trưởng nhóm nghiên cứu tại LMU, dẫn đầu, đã đạt được một bước đột phá quan trọng với phương pháp này.

Trong tạp chí Joule, các nhà nghiên cứu báo cáo về pin song song perovskite-silicon đầu tiên được sản xuất hoàn toàn tại khu vực Munich.

Các đối tác của LMU trong công trình này là Đại học Khoa học và Công nghệ Miền Nam (SUSTech) ở Thâm Quyến, Trung Quốc, Đại học Thành phố Hồng Kông và Đại học Khoa học và Công nghệ Vua Abdullah (KAUST) ở Ả Rập Xê Út.

Một cách tiếp cận mới trong thiết kế phân tử
Một yếu tố quan trọng của các tế bào song song là lớp đơn phân tử tự lắp ráp (SAM). Chỉ dày vài nanomet, lớp phân tử này đảm bảo rằng các điện tích được vận chuyển hiệu quả đến các lớp thu điện tích. Tuy nhiên, trên bề mặt silicon có cấu trúc hình chóp, các SAM thông thường với chuỗi alkyl đơn giản có xu hướng kết tụ không đồng đều. Điều này hạn chế hiệu suất của các tế bào.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một phân tử đặc biệt. Cấu trúc đặc biệt của nó cải thiện khả năng vận chuyển điện tích ngay cả trên bề mặt gồ ghề và do đó tạo ra cơ sở cho một giao diện ổn định.

Trong quá trình phân tích, nhóm nghiên cứu đã đưa ra một quan sát đáng ngạc nhiên: Một tiền chất SAM có sẵn trên thị trường chứa các tạp chất nhỏ chứa brom. Những tạp chất này tỏ ra cực kỳ hữu ích, vì chúng trung hòa các khuyết tật ở giao diện và do đó làm tăng hiệu quả của các tế bào quang điện.

“Việc một thay đổi hóa học nhỏ như vậy lại có tác động lớn đến thế đã làm chúng tôi ngạc nhiên,” trưởng nhóm dự án Aydin giải thích. “Phát hiện này cho thấy sự tương tác chính xác của các vật liệu ở cấp độ phân tử có vai trò quyết định như thế nào đối với hiệu suất năng lượng của các tế bào quang điện mặt trời mới nổi.”

Các nhà nghiên cứu đã kết hợp các phân tử brom hóa và không brom hóa để khai thác các tác dụng tích cực của brom mà không làm suy giảm tính ổn định hóa học.

Cấu trúc SAM được thiết kế mới của họ cho phép sắp xếp phân tử dày đặc hơn và khả năng thụ động hóa giao diện tốt hơn—điều này dẫn đến hiệu suất cao hơn, độ ổn định tăng lên và khả năng trích xuất điện tích hiệu quả hơn.

Hiệu suất 31,4%
Thông qua việc tinh chỉnh có mục tiêu ở cấp độ phân tử, nhóm nghiên cứu đã đạt được hiệu suất 31,4%. Điều này đưa nhóm nghiên cứu vào hàng ngũ các phòng thí nghiệm hàng đầu trên thế giới trong việc phát triển các tế bào tandem perovskite-silicon hiệu suất cao. Đáng chú ý hơn nữa, các giá trị này đã đạt được trên các tế bào đáy silicon tinh thể có ý nghĩa công nghiệp.

Ngoài hiệu suất tăng lên, độ ổn định của các tế bào cũng được chứng minh là được cải thiện trong thời gian dài hơn. Sự sắp xếp phân tử dày đặc hơn của các SAM mới bảo vệ giao diện nhạy cảm khỏi bị hư hại ở cấp độ phân tử.

"Bước tiếp theo, chúng tôi muốn chứng minh rằng các tế bào song song của chúng tôi có thể chứng tỏ giá trị của chúng không chỉ trong phòng thí nghiệm mà còn trong các thử nghiệm lão hóa tăng tốc, giúp hiểu rõ hơn về hành vi trong điều kiện môi trường thực tế," Aydin nói.

"Đồng thời, chúng tôi đang thử nghiệm cách công nghệ này có thể được điều chỉnh cho các ứng dụng không gian—đặc biệt là cho các vệ tinh ở quỹ đạo Trái đất tầm thấp." Đây là một lĩnh vực đang thu hút sự quan tâm mạnh mẽ đối với các tế bào năng lượng mặt trời siêu nhẹ, chống bức xạ và hiệu suất cao.

Thông tin thêm: Jian Huang và cộng sự, Tăng cường khả năng trích xuất điện tích trong các tế bào năng lượng mặt trời song song perovskite-silicon có cấu trúc thông qua chức năng hóa tiếp xúc phân tử, Joule (2025). DOI: 10.1016/j.joule.2025.102227

Thông tin tạp chí: Joule

Cung cấp bởi Đại học Ludwig Maximilian Munich