Pin mặt trời nhiều điểm nối, pin mặt trời bao gồm nhiều điểm nối bán dẫn riêng lẻ xếp chồng lên nhau, có tiềm năng hoạt động tốt hơn pin mặt trời một điểm nối cả về hiệu quả và độ ổn định. Trong những năm gần đây, các nhà khoa học và kỹ sư vật liệu đã cố gắng xác định các tổ hợp vật liệu khả thi để chế tạo các pin mặt trời này.
Hiệu suất quang điện của PO-TSC nguyên khối. Nguồn: Năng lượng thiên nhiên (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01451-8
Một loại vật liệu được cho là có triển vọng cho các ứng dụng này là perovskite halogenua kim loại, chất bán dẫn có các đặc tính vốn có thuận lợi cho việc phát triển các thiết bị quang điện tử và quang điện khác nhau. Trong khi hiệu suất của pin mặt trời song song dựa trên các chất bán dẫn này đã dần được cải thiện và gần đây đạt 24%, thì độ ổn định của chúng bị cản trở bởi sự phân chia pha nghiêm trọng của perovskite hỗn hợp halogenua.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Thành phố Hồng Kông gần đây đã đặt ra mục tiêu giải quyết hạn chế này của pin mặt trời perovskite halogenua hỗn hợp. Bài báo của họ, được xuất bản trên tạp chí Nature Energy , giới thiệu một chiến lược có thể cải thiện độ ổn định lâu dài và điện áp quang của các pin mặt trời này, sử dụng các chất trung gian oxi hóa khử được thiết kế mới dựa trên các hợp chất anthraquinone.
Shengfan Wu, Yichao Yan và các đồng nghiệp của họ viết trong bài báo: “Sự phân tách halogenua hạn chế nghiêm trọng sự ổn định của pin mặt trời perovskite halogen hỗn hợp trong điều kiện vận hành thiết bị”. "Có một dấu hiệu rõ ràng rằng quá trình oxy hóa halogenua là động lực chính đằng sau quá trình khử trộn halogen. Để giảm bớt vấn đề này, chúng tôi phát triển một loạt các chất trung gian oxi hóa khử đa chức năng dựa trên anthraquinone có tác dụng khử iốt và oxy hóa kim loại Pb 0 một cách có chọn lọc , đồng thời làm thụ động các khuyết tật." thông qua sự thay thế cation phù hợp."
Các chất trung gian oxi hóa khử dựa trên anthraquinone mới được thiết kế bởi Wu, Yan và các đồng nghiệp của họ khử iốt một cách có chọn lọc trong khi oxy hóa kim loại Pb0 . Đáng chú ý, quá trình oxy hóa các halogenua có thế oxy hóa tương đối thấp cuối cùng cho phép vận chuyển khối lượng halogenua, từ đó dẫn đến sự phân chia pha quan sát được trong perovskite.
Việc dịch chuyển điện tử được kích hoạt bởi các bộ trung gian oxi hóa khử dựa trên AQS. a, Cấu trúc phân tử của lõi AQS dựa trên chất trung gian oxi hóa khử hữu cơ với các chất thay thế cation khác nhau. b, Đường cong vôn kế tuần hoàn của AQSH. c, Sự dịch chuyển điện tử giữa AQS, Pb và I. d, Phổ truyền qua của bột Pb0 và I0 phân tán trong dung môi hỗn hợp IPA:DMF (vol:vol = 10:1) có và không có AQSH, các dung dịch được khuấy ở 100 °C trong 60 phút). Hình nhỏ: hình ảnh của các giải pháp kiểm soát và mục tiêu. Hộp màu đỏ nét đứt mô tả phần nổi phía trên của các giải pháp. e, Mẫu XRD dạng bột của PbI2 và kết tủa. Hình bên trong: ảnh chụp PbI2 và bột chiết được từ dung dịch. f, Phổ truyền qua của I2, AQSH, FAI + AQSH tương ứng hòa tan trong DMF. Hình nhỏ: hình ảnh của các giải pháp I2, AQSH và AQSH + FAI. g, Cơ chế loại bỏ bền vững các loại Pb0 và I0 kim loại trong perovskite được kích hoạt bởi chất trung gian oxi hóa khử làm chất phụ gia và tác dụng của nó trong việc ngăn chặn sự phân tách halogenua. Tín dụng: Wu và cộng sự. (Năng lượng thiên nhiên, 2024).
Các chất trung gian oxi hóa khử có nguồn gốc từ anthraquinone do các nhà nghiên cứu thiết kế, cụ thể là AQSH, AQSN và AQSP, cuối cùng có thể ngăn chặn sự phân chia halogenua trong perovskite. Điều này có thể mang lại sự ổn định cao hơn cho pin mặt trời dựa trên perovskite halogenua hỗn hợp.
Để đánh giá chiến lược thiết kế được đề xuất của họ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng nó để phát triển pin mặt trời perovskite băng thông rộng một điểm nối. Người ta nhận thấy những tế bào này đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 19,58% và điện áp mạch hở cao 1,35 V đối với PSC 1,81-eV, đồng thời cho thấy độ ổn định được nâng cao.
Các nhà nghiên cứu viết: “Thiết bị này vẫn giữ được 95% hiệu suất ban đầu sau khi hoạt động ở điểm công suất tối đa trong 500 giờ”. "Đáng chú ý nhất là bằng cách tích hợp thiết bị perovskite vào pin mặt trời song song perovskite-hữu cơ nguyên khối dưới dạng tế bào con có dải rộng, chúng tôi báo cáo hiệu suất 25,22% (được chứng nhận 24,27%) với độ ổn định hoạt động lâu dài ấn tượng (T 90 > 500 giờ). )."
Chiến lược thiết kế dựa trên chất trung gian oxi hóa khử mới do nhóm các nhà nghiên cứu này đề xuất có thể sớm giúp nâng cao hiệu suất của các pin mặt trời song song hữu cơ perovskite hỗn hợp halogenua khác với các thành phần khác nhau. Điều này cuối cùng có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai quy mô lớn các pin mặt trời này, góp phần vào những nỗ lực không ngừng nhằm mục đích sản xuất điện khử cacbon.
Các nhà nghiên cứu kết luận: “Cả hiệu quả ấn tượng và độ ổn định vận hành mà các tế bào song song của chúng tôi đạt được đều chứng minh tiềm năng đáng kể của pin mặt trời song song hữu cơ perovskite để vượt trội hơn so với pin mặt trời song song dựa trên perovskite hiện đại”.
