Hợp tác nghiên cứu quốc tế sản xuất pin mặt trời song song all-perovskite với hiệu suất cao, điện áp kỷ lục
bởi Tyler Irving, Đại học Toronto
Pin mặt trời song song hoàn toàn bằng perovskite nguyên mẫu này có kích thước một centimet vuông và có hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 27,4%, cao hơn mức hiện tại có thể đạt được với pin mặt trời silicon một điểm nối truyền thống. Ảnh: Aaron Demeter / Đại học Kỹ thuật Toronto
Sự hợp tác giữa Đại học Kỹ thuật Toronto, Đại học Tây Bắc và Đại học Toledo đã tạo ra một loại pin mặt trời song song hoàn toàn bằng perovskite với hiệu suất cực cao và điện áp lập kỷ lục.
Thiết bị mẫu thử nghiệm thể hiện tiềm năng của công nghệ quang điện mới nổi này vượt qua các giới hạn chính liên quan đến pin mặt trời silicon truyền thống, đồng thời mang lại chi phí sản xuất thấp hơn.
Giáo sư Kỹ thuật Ted Sargent của Đại học Toronto, người vừa gia nhập Khoa Hóa học và Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính tại Đại học Northwestern, cho biết: “Những cải tiến hơn nữa về hiệu quả của pin mặt trời là rất quan trọng đối với quá trình khử cacbon đang diễn ra trong nền kinh tế của chúng ta.
"Mặc dù pin mặt trời silicon đã đạt được những tiến bộ ấn tượng trong những năm gần đây, nhưng vẫn có những hạn chế cố hữu đối với hiệu quả và chi phí của chúng, phát sinh từ các đặc tính vật liệu. Công nghệ perovskite có thể khắc phục những hạn chế này, nhưng cho đến nay, nó vẫn hoạt động dưới mức tối đa tiềm năng. Nghiên cứu mới nhất của chúng tôi xác định một lý do chính cho điều này và chỉ ra một con đường phía trước."
Các tế bào năng lượng mặt trời truyền thống được làm từ các tấm silicon có độ tinh khiết cực cao, rất tốn năng lượng để sản xuất. Ngược lại, pin mặt trời perovskite được chế tạo từ các tinh thể có kích thước nano có thể được phân tán thành chất lỏng và tráng spin trên bề mặt bằng các kỹ thuật có chi phí thấp và đã được thiết lập tốt.
Một ưu điểm khác của perovskites là bằng cách điều chỉnh độ dày và thành phần hóa học của màng tinh thể, các nhà sản xuất có thể 'điều chỉnh' có chọn lọc các bước sóng ánh sáng được hấp thụ và chuyển hóa thành điện năng, trong khi silicon luôn hấp thụ cùng một phần của quang phổ mặt trời.
Trong một bài báo mới được xuất bản hôm nay trên tạp chí Nature, nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã sử dụng hai lớp perovskite khác nhau, mỗi lớp được điều chỉnh theo một phần khác nhau của quang phổ mặt trời, để tạo ra thứ được gọi là pin mặt trời song song.
Chongwen Li, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Sargent và là một trong năm đồng tác giả cho biết: "Trong tế bào của chúng tôi, lớp perovskite trên cùng có dải cấm rộng hơn, lớp này hấp thụ tốt phần tia cực tím của quang phổ, cũng như một số ánh sáng nhìn thấy được". các tác giả hàng đầu trên bài báo mới.
"Lớp dưới cùng có một khoảng cách dải hẹp, được điều chỉnh nhiều hơn về phần hồng ngoại của quang phổ. Ở giữa hai lớp, chúng tôi bao phủ nhiều dải quang phổ hơn so với khả năng có thể của silicon."
Thiết kế song song cho phép tế bào tạo ra điện áp mạch hở rất cao, từ đó cải thiện hiệu quả của nó. Nhưng sự đổi mới quan trọng đã đến khi nhóm nghiên cứu phân tích giao diện giữa lớp perovskite, nơi ánh sáng được hấp thụ và biến đổi thành các electron bị kích thích, và lớp liền kề, được gọi là lớp vận chuyển điện tử.
Ph.D. sinh viên Aidan Maxwell, một đồng tác giả chính khác.
"Hậu quả của việc này là ở một số nơi, các electron bị kích thích di chuyển dễ dàng vào lớp vận chuyển điện tử, nhưng ở những nơi khác, chúng sẽ chỉ kết hợp lại với các lỗ trống mà chúng để lại. Những electron đó đã bị mất trong mạch."
Nghiên cứu sinh tiến sĩ Aidan Maxwell, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Hao Chen và nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Chongwen Li trình diễn nguyên mẫu pin mặt trời song song all-perovskite của họ tại cơ sở thử nghiệm của họ ở Đại học Kỹ thuật Toronto. Tín dụng: Aaron Demeter / Đại học Kỹ thuật Toronto
Để giải quyết thách thức này, nhóm đã phủ một chất gọi là 1,3-propanediammonium (PDA) lên bề mặt của lớp perovskite. Mặc dù lớp phủ chỉ dày vài nanomet, nhưng nó đã tạo ra sự khác biệt lớn.
“PDA có điện tích dương và nó có thể phát huy hết tiềm năng bề mặt,” đồng tác giả sau tiến sĩ Hao Chen, một trong những đồng tác giả chính khác cho biết.
"Khi chúng tôi thêm lớp phủ, chúng tôi đã có được sự liên kết năng lượng tốt hơn nhiều của lớp perovskite với lớp vận chuyển điện tử, và điều đó dẫn đến sự cải thiện lớn về hiệu quả tổng thể của chúng tôi."
Pin mặt trời nguyên mẫu của nhóm có diện tích một centimet vuông và tạo ra điện áp mạch hở 2,19 electron vôn, đây là một kỷ lục đối với pin mặt trời song song all perovskite. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của nó được đo là 27,4%, cao hơn kỷ lục hiện tại đối với pin mặt trời silicon một điểm nối truyền thống. Pin này cũng được chứng nhận độc lập tại Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia ở Colorado, mang lại hiệu suất 26,3%.
Nhóm đã sử dụng các phương pháp tiêu chuẩn công nghiệp để đo độ ổn định của tế bào mới và cho
và nó duy trì 86% hiệu suất ban đầu sau 500 giờ hoạt động liên tục.
Giáo sư Alberto Salleo, Chủ tịch Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Đại học Stanford, người không tham gia nghiên cứu cho biết: “Việc tiếp tục nâng cao hiệu quả và tính ổn định của pin mặt trời thế hệ tiếp theo là ưu tiên quan trọng để khử cacbon cho nguồn cung cấp điện. .
"Nhóm đã phát triển hiểu biết hóa học sâu sắc về những gì đang hạn chế một giao diện quan trọng—điểm nối với lớp chiết điện tử—trong phần khe năng lượng lớn của pin mặt trời perovskite. Những hiểu biết sâu sắc này từ khoa học cơ bản, được thực hiện bằng các chiến lược kỹ thuật vật liệu đổi mới, sẽ tiếp tục thúc đẩy lĩnh vực này tiến về phía trước."
Giờ đây, các nhà nghiên cứu sẽ tập trung vào việc nâng cao hiệu quả hơn nữa bằng cách tăng dòng điện chạy qua tế bào, cải thiện độ ổn định và mở rộng diện tích của tế bào để nó có thể được thu nhỏ theo tỷ lệ thương mại.
Việc xác định vai trò chính của các giao diện giữa các lớp cũng chỉ ra con đường hướng tới những cải tiến tiềm năng trong tương lai.
Sargent cho biết: “Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tập trung vào giao diện giữa lớp perovskite và lớp vận chuyển điện tử, nhưng còn có một lớp quan trọng khác chiết xuất các 'lỗ trống' mà các điện tử đó để lại.
"Một trong những điều thú vị trong kinh nghiệm của tôi với lĩnh vực này là việc học cách thành thạo một giao diện không nhất thiết phải dạy cho bạn các quy tắc để thành thạo các giao diện khác. Tôi nghĩ còn nhiều khám phá nữa cần được thực hiện."
Maxwell nói rằng khả năng của công nghệ perovskite chống lại silicon, mặc dù sau này đã có một khởi đầu thuận lợi trong nhiều thập kỷ, là điều đáng khích lệ.
Ông nói: “Trong 10 năm qua, công nghệ perovskite đã phát triển gần như công nghệ silicon trong 40 năm qua. "Chỉ cần tưởng tượng những gì nó sẽ có thể làm trong mười năm nữa."
