Khám phá tác động của thành phần lưu huỳnh lên thiếc sunfua để cải thiện hiệu suất của pin mặt trời
của Đại học Tohoku
Minh họa sơ đồ về phương pháp phun hỗ trợ plasma lưu huỳnh được sử dụng trong nghiên cứu này. (a) Tổng quan về hệ thống lắng đọng và (b) cấu trúc bên trong của nhà cung cấp plasma lưu huỳnh. Tín dụng: Issei Suzuki
Pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng sạch—nhưng nếu bản thân pin mặt trời được làm bằng vật liệu độc hại, thì nó gần như phá hỏng mục đích. Đó là lúc thiếc sunfua (SnS) phát huy tác dụng. SnS là vật liệu bán dẫn thân thiện với môi trường, có sẵn trong tự nhiên và tương đối rẻ, là ứng cử viên đầy hứa hẹn để sử dụng trong pin mặt trời và các thiết bị chuyển đổi nhiệt điện.
Để cải thiện hiệu suất của nó trong các ứng dụng này, các nhà nghiên cứu từ Đại học Tohoku đã nghiên cứu một cách có hệ thống cách độ lệch trong tỷ lệ 1:1 của Sn so với S ảnh hưởng đến các đặc tính điện và hình thái của màng mỏng SnS. Cho đến nay, việc đạt được khả năng kiểm soát thành phần chính xác của tỷ lệ này trong quá trình lắng đọng màng mỏng vẫn là một thách thức lớn do lưu huỳnh có độ bay hơi cao.
Nhóm nghiên cứu, do Issei Suzuki (trợ lý giáo sư cao cấp) và Taichi Nogami (ứng viên tiến sĩ) dẫn đầu, đã phát triển một phương pháp phun hỗ trợ plasma lưu huỳnh mới để kiểm soát chính xác hàm lượng lưu huỳnh trong màng mỏng SnS. Trong phương pháp phun thông thường, mục tiêu thiêu kết SnS được nguyên tử hóa và lắng đọng trên một chất nền.
Trong nghiên cứu này, được công bố trên APL Materials, các nhà nghiên cứu đã đưa lưu huỳnh hoạt hóa plasma vào quy trình này, cho phép kiểm soát thành phần chính xác của SnS. Sử dụng phương pháp này, họ đã chế tạo màng mỏng SnS loại p với tỷ lệ Sn:S là 1:0,81, 1:0,96, 1:1 và 1:1,04 và phân tích các đặc tính về cấu trúc và điện của chúng.
"Chúng tôi thấy rằng ngay cả khi thay đổi một chút thành phần của Sn và S cũng ảnh hưởng đáng kể đến hình thái", Suzuki giải thích. Cụ thể, nghiên cứu phát hiện ra rằng các thành phần giàu lưu huỳnh (S > 50%) dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ mật độ hạt mang, trong khi các thành phần thiếu lưu huỳnh (S < 50%) hầu như không có thay đổi nào về mật độ hạt mang.
Ngoài ra, các màng không theo tỷ lệ lượng hóa học thể hiện hình thái thô và xốp, trong khi các màng mỏng SnS theo tỷ lệ lượng hóa học (1:1) thể hiện cấu trúc dày đặc với độ linh động lỗ cao, khiến chúng rất phù hợp cho các ứng dụng pin mặt trời.
Sự phụ thuộc thành phần của (a) độ linh động lỗ và (b) mật độ hạt mang trong các màng mỏng SnS. Trục ngang biểu thị tỷ lệ lưu huỳnh (S/(Sn+S)). Tín dụng: Issei Suzuki
(Trên) Hình ảnh kính hiển vi điện tử của bề mặt màng mỏng SnS theo tỷ lệ lượng hóa học và không theo tỷ lệ lượng hóa học. Thành phần theo tỷ lệ lượng hóa học thể hiện bề mặt nhẵn, trong khi thành phần không theo tỷ lệ lượng hóa học cho thấy hình thái thô. (Dưới) Minh họa sơ đồ mặt cắt ngang của các màng mỏng. Các đường chéo bên trong tinh thể chỉ ra hướng của chúng. Nguồn: Issei Suzuki
Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát hàm lượng lưu huỳnh chính xác trong màng mỏng SnS và đưa ra những hiểu biết có giá trị để cải thiện hiệu suất điện và tính toàn vẹn về mặt cấu trúc của chúng. Nghiên cứu này dựa trên những phát hiện trước đây của Suzuki, Nogami và các đồng nghiệp khi họ kiểm tra một loại màng mỏng SnS khác. Những phát hiện này được kỳ vọng sẽ góp phần vào ứng dụng thực tế của SnS trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng thế hệ tiếp theo.
"Bước tiếp theo sẽ là tích hợp các màng mỏng SnS được tối ưu hóa này vào các tế bào quang điện hiệu suất cao", Nogami cho biết. "Chúng tôi muốn tinh chỉnh hiệu suất và khả năng mở rộng của chúng để có thể sử dụng chúng để tạo ra năng lượng sạch và giúp chống lại biến đổi khí hậu".
