Kết hợp các mô hình với các thí nghiệm để xây dựng các tế bào năng lượng mặt trời hiệu quả hơn

Kết hợp các mô hình với các thí nghiệm để xây dựng các tế bào năng lượng mặt trời hiệu quả hơn

    Kết hợp các mô hình với các thí nghiệm để xây dựng các tế bào năng lượng mặt trời hiệu quả hơn

    Các perovskite lai giống như baklava phân tử với các lớp vô cơ dựa trên kim loại xen kẽ và các lớp hữu cơ dựa trên cacbon. Sự tương tác trong lớp hữu cơ có thể điều chỉnh sự biến dạng trong thành phần vô cơ và tăng hiệu suất của pin mặt trời làm từ các vật liệu này. Ảnh: Arvin Kakekhani

    Marrying models with experiments to build more efficient solar cells
    Trong một ngày, đủ ánh sáng mặt trời chiếu vào Trái đất để cung cấp năng lượng cho thế giới trong cả năm — nghĩa là, nếu chúng ta có thể tìm ra cách thu nhận năng lượng đó với giá rẻ và hiệu quả. Trong khi chi phí năng lượng mặt trời đã giảm đáng kể, các tế bào năng lượng mặt trời làm từ silicon hiện nay rất đắt và tốn nhiều năng lượng để sản xuất, khiến các nhà nghiên cứu phải tìm kiếm các giải pháp thay thế.

    Pin mặt trời Perovskite là ứng cử viên hàng đầu cho thế hệ tiếp theo của loại năng lượng tái tạo này. Những vật liệu tổng hợp này rẻ hơn và cần ít năng lượng hơn để sản xuất nhưng lại thua kém nhiều tế bào làm từ silicon về độ ổn định và hiệu quả của chúng. Giờ đây, một bài báo được xuất bản trên tạp chí Nature Communications từ các nhóm của Andrew M. Rappe thuộc Đại học Pennsylvania và Yueh-Lin Loo của Đại học Princeton cung cấp thông tin chi tiết về cách cấu tạo phân tử của một số perovskite nhất định có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của chúng và đưa ra con đường tiến tới tốt hơn pin mặt trời sử dụng một số liệu đơn giản.

    Rappe, giáo sư tại Khoa Hóa học của Penn, người đồng chỉ đạo chương trình VIPER của Penn, cho biết: “Thế giới hiện đang cần các tế bào quang điện hiệu quả hơn và tiết kiệm chi phí hơn, và các PV perovskite lai 3D đã đưa thế giới thành cơn bão”. "Nhưng chúng bị nước làm hư hỏng không thể phục hồi được, đó là một chất biểu diễn cho các ứng dụng thực tế. Chèn các mặt phẳng phân tử hữu cơ vào giữa các mặt phẳng perovskite lai 2D là một kế hoạch đầy hứa hẹn để cung cấp các tế bào năng lượng mặt trời hiệu quả, chi phí thấp và mạnh mẽ."

    Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã điều tra một lớp perovskite nhất định được gọi là perovskite lai 2D. So với perovskite làm bằng tinh thể 3D, chúng có xu hướng ổn định hơn, được xây dựng giống như baklava phân tử với các lớp xen kẽ của các phân tử gốc kim loại và carbon. Lớp dựa trên kim loại, được gọi là lớp vô cơ, tương tác với ánh sáng để tạo ra điện và hiệu quả nhất khi các nguyên tử của nó sắp xếp đúng. Lớp gốc cacbon, hay lớp hữu cơ, bao gồm các phân tử tích điện dương cân bằng lớp vô cơ tích điện âm.

    Ban đầu, nhóm nghiên cứu Princeton đã chuẩn bị một bộ perovskite 2D với các phân tử hữu cơ khác nhau, nghiên cứu cách các phân tử đó ảnh hưởng đến sự liên kết của lớp vô cơ và hiệu quả của pin mặt trời. Đặc biệt, họ đã xem xét một lớp các phân tử hữu cơ ngắn, linh hoạt, mỗi phân tử mang điện tích dương ở một đầu. Họ nhận thấy rằng loại phân tử ảnh hưởng đến cấu trúc và hiệu suất năng lượng của pin mặt trời nhưng không biết chính xác tại sao hoặc như thế nào. Họ cần một cái nhìn sâu sắc về nguyên tử để bổ sung cho những phát hiện và giả thuyết thực nghiệm. Điều này sẽ giúp giải thích hiệu suất cao của hệ thống.

    Vì vậy, họ đã liên hệ với Rappe và Arvin Kakekhani, lúc đó là postdoc trong nhóm Rappe, các chuyên gia trong việc sử dụng máy tính để lập mô hình tương tác hóa học. Kakekhani nói: “[Các nhà nghiên cứu Princeton] là những nhà thực nghiệm rất thông minh và có cái nhìn sâu sắc về cấp độ thực nghiệm. "Nhưng họ cần kiến ​​thức và cái nhìn sâu sắc về cấp độ nguyên tử, phân tử." Đó chính xác là loại công việc mà phòng thí nghiệm Rappe vượt trội, trước đây đã hợp tác với nhóm Loo để mô hình hóa các vật liệu perovskite khác trong bối cảnh hợp lý hóa các đặc tính cơ học của chúng.

    Từ các tính toán cơ học lượng tử và công việc mô hình điện tích hiện tại, Kakekhani và Rappe nhận thấy rằng các phân tử trong lớp hữu cơ có thể tương tác với nhau, xếp thành từng cặp hoặc theo hình zíc zắc giữa các lớp dựa trên kim loại của perovskite.

    Khi hình thành các cặp hoặc zic zắc này, các phân tử hữu cơ tương tác ít hơn với lớp gốc kim loại, tạo cho không gian lớp sắp xếp đúng cách và cải thiện hiệu suất của các pin mặt trời thu được. Các phân tử hữu cơ có thể bắt cặp và thoát ra khỏi lớp vô cơ càng dễ dàng, thì hiệu suất của pin mặt trời càng tốt.

    Chỉ riêng quan sát này đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách tạo ra perovskites tốt hơn. Nhưng Kakekhani tự hỏi liệu ông có thể tìm ra cách để nắm bắt hiện tượng này theo một giá trị đơn giản mô tả sự tương tác giữa các lớp hữu cơ và vô cơ hay không. Sau khi thử nghiệm các mô hình khác nhau, ông đã hạ cánh trên một mô hình mô tả các tương tác trong lớp hữu cơ kéo điện tích dương ra khỏi lớp vô cơ bao xa. Sau đó, ông thử nghiệm nó để xem liệu nó có thể dự đoán lớp vô cơ sẽ liên kết tốt như thế nào và các tế bào năng lượng mặt trời có thể hoạt động tốt như thế nào.

    Thay vì điều chỉnh một mô hình bằng cách sử dụng dữ liệu từ thí nghiệm, ông đã chọn xây dựng nó hoàn toàn bằng cách sử dụng sự hiểu biết toán học và vật lý về cách các hóa chất tương tác. Đây được gọi là mô hình vật liệu nguyên tắc đầu tiên.

    Các loại mô hình này thường gặp khó khăn trong việc tái tạo chính xác các kết quả trong thế giới thực, vì chúng có thể quá khó chỉ xem xét một tập hợp con nhỏ của các hiện tượng có thể có liên quan đến một thí nghiệm phức tạp. Mô hình nguyên tắc thứ nhất trở nên mạnh mẽ hơn khi nó có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc và nâng cao hiểu biết về cách giảm một vấn đề phức tạp thành một vấn đề đơn giản hơn mà không làm tổn hại nhiều đến độ trung thực của mô hình.

    Trong trường hợp này, Kakekhani đã dự đoán các xu hướng trong đời thực với độ trung thực cao đáng kinh ngạc. Về mặt toán học, mô hình của ông cho hệ số xác định> 0,95, gần như là một tương quan tuyến tính hoàn hảo. Kakekhani nói: “Tôi chưa bao giờ thấy sự tương ứng hoàn hảo như vậy giữa các mô hình nguyên lý thứ nhất và các thiết bị quan sát thực nghiệm phức tạp. "Để kết nối một mô hình nằm trong máy tính và không biết gì về thí nghiệm với vật chất thực với đủ loại khuyết tật và cấu trúc quy mô lớn hơn — điều đó thực sự đáng ngạc nhiên."

    Bởi vì chỉ số này chỉ cần một máy tính để dự đoán hiệu suất của pin mặt trời, nó có thể cho phép các nhà khoa học chọn phân tử nào có thể hoạt động tốt nhất trong perovskites trước khi bước vào phòng thí nghiệm, giúp các nhà nghiên cứu thu hẹp nỗ lực của họ chỉ với những ứng viên triển vọng nhất. Rappe nói: “Thực sự có hàng triệu phân tử mà mọi người có thể thử. Nhưng không dễ dàng như vậy để tạo ra hàng triệu pin mặt trời”. "Điều này cung cấp cho mọi người một quy tắc tính điểm đơn giản, nơi họ có thể phân tích xem liệu một phân tử mà họ đang xem xét có khả năng nâng cao năng suất của pin mặt trời hay không."

    Trong tương lai, Rappe cho biết những hiểu biết này cũng có thể hữu ích với đèn LED perovskite. Nếu những perovskite này có thể biến ánh sáng thành năng lượng một cách hiệu quả, chúng sẽ có thể làm điều gì đó tương tự khi chuyển năng lượng thành ánh sáng. Các nhóm dự định xem liệu cùng một mô hình có áp dụng cho các lớp vô cơ khác nhau và phạm vi rộng hơn của các phân tử hữu cơ hay không, hoặc liệu các yếu tố khác có cần xem xét để tạo mô hình chính xác cho perovskite hay không.

    Tuy nhiên, hiện tại, mô hình sử dụng một giá trị để dự đoán hiệu suất của một pin mặt trời phức tạp và tính đơn giản của mô hình chính là điểm mạnh của nó, Kakekhani nói. "Sự đơn giản tạo ra cái nhìn sâu sắc và cái nhìn sâu sắc đó thực sự có thể tạo ra những tiến bộ lớn trong khoa học bởi vì nó đi vào phần sáng tạo phi tuyến trong bộ não của bạn. Nó vẫn ở đó và nó giúp bạn tìm ra tất cả các loại trực giác."

    Zalo
    Hotline