Trong kỷ nguyên biến đổi khí hậu, năng lượng tái tạo đã nhanh chóng trở nên phổ biến, trong đó pin mặt trời là một ví dụ nổi bật về sự thay đổi này. Ví dụ, vào năm 2023, điện mặt trời quang điện lắp đặt đã tăng 28% ở Tây Ban Nha so với năm trước, chiếm 20,3% tổng lượng điện năng sản xuất của Tây Ban Nha, một xu hướng tương tự cũng được phản ánh ở hầu hết các nước phương Tây.
Sơ đồ chiến lược thụ động hóa tại chỗ sau khi lắng đọng trên tinh thể nano AgBiS2 . Tín dụng: EES
Bất chấp việc được thương mại hóa và mang lại lợi ích không thể phủ nhận cho môi trường, pin mặt trời vẫn còn nhiều chỗ cần cải tiến vì chúng thường được làm từ những vật liệu không hoàn toàn bền vững.
Thu hoạch năng lượng mặt trời phổ biến—ngoài các trang trại năng lượng mặt trời—được coi là cách để cung cấp năng lượng cho các tòa nhà, cơ sở hạ tầng, hệ thống IoT hoặc thậm chí là phương tiện. Điều đó sẽ đòi hỏi công nghệ tế bào năng lượng mặt trời nhẹ, chi phí thấp, linh hoạt và thân thiện với môi trường.
Do đó, cộng đồng khoa học đang hướng nỗ lực của mình vào việc tìm kiếm các giải pháp thay thế bền vững giúp duy trì (hoặc thậm chí tăng) hiệu quả phát điện, giảm chi phí và đơn giản hóa nỗ lực sản xuất pin mặt trời hiện tại.
Một vật liệu đầy hứa hẹn đã nổi lên như một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường là tinh thể nano bạc bismuth sulfide dạng keo (AgBiS 2 ), một vật liệu được đặc trưng bởi hệ số hấp thụ cực cao và do đó có thể ứng dụng làm chất hấp thụ màng siêu mỏng cho pin mặt trời.
Thông qua quy trình sản xuất từng lớp, các tế bào năng lượng mặt trời có hiệu suất hấp dẫn đã được báo cáo. Nhưng để giảm thiểu tổn thất vật liệu, giảm chi phí và cải thiện khả năng mở rộng sản xuất, phương pháp lắng đọng nhiều bước phải được thay thế bằng phương pháp tiếp cận một bước.
Điều này có thể thực hiện được bằng cách phát triển mực nanocrystal AgBiS2 . Từ năm 2020, một số nghiên cứu đã được báo cáo. Tuy nhiên, nanocrystal AgBiS2 thu được vẫn cho thấy các khuyết tật bề mặt đáng kể kèm theo hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp trong pin mặt trời, nghĩa là các kỹ thuật nhằm loại bỏ chúng - được gọi là thụ động hóa bề mặt - không đủ hiệu quả.
Các khuyết tật bề mặt còn lại giữ lại các hạt mang điện do ánh sáng mặt trời tạo ra và kích hoạt sự tái hợp của chúng, làm giảm hiệu suất của thiết bị xuống mức thấp hơn so với hiệu suất đạt được khi sản xuất theo từng lớp.
Do đó, cần có một phương pháp thụ động hóa đơn giản hơn nhưng hiệu quả hơn cho mực nanocrystal AgBiS2 để đưa hiệu suất của pin mặt trời thân thiện với môi trường gần hơn với mức cạnh tranh .
Gần đây, các nhà nghiên cứu ICFO, Tiến sĩ Jae Taek Oh, Tiến sĩ Yongjie Wang, Tiến sĩ Carmelita Rodà, Tiến sĩ Debranjan Mandal, Tiến sĩ Gaurav Kumar, Tiến sĩ Guy Luke Whitworth, do Giáo sư Gerasimos Konstantatos của ICREA đứng đầu, đã có bước tiến đáng kể theo hướng này. Trong một bài báo về Khoa học Năng lượng & Môi trường , họ đã báo cáo về chiến lược thụ động hóa tại chỗ sau khi lắng đọng (P-DIP) giúp cải thiện thụ động hóa bề mặt, tạo ra màng mực nanocrystal có đặc tính quang điện tử được cải thiện.
Các tế bào quang điện siêu mỏng thu được cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn so với các tế bào quang điện lắng đọng nhiều bước, lập kỷ lục hiệu suất mới cho các tế bào quang điện tinh thể nano thân thiện với môi trường.
Thụ động hóa tại chỗ sau khi lắng đọng để cải thiện thụ động hóa bề mặt
Các nhà nghiên cứu ICFO đã thành công trong việc thụ động hóa hiệu quả các khuyết tật bề mặt có trong màng mực nanocrystal của họ. "Hãy tưởng tượng một con đường gập ghềnh làm chậm xe ô tô. Thụ động hóa bề mặt giống như việc trải lại mặt đường, làm cho nó mịn hơn để xe có thể di chuyển mà không bị kẹt.
"Trong trường hợp của chúng tôi, việc loại bỏ các khuyết tật bề mặt rất quan trọng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển các chất mang điện tích được tạo ra từ sự hấp thụ ánh sáng trong các màng nanocrystal", Tiến sĩ Jae Taek Oh, tác giả đầu tiên của bài báo giải thích. "Với phương pháp P-DIP của chúng tôi, các chất mang điện tích có thể di chuyển mà không 'va vào quá nhiều chướng ngại vật' bên trong màng mỏng nanocrystal AgBiS2 " , ông nói thêm.
Việc giảm thiểu các khuyết tật bằng chiến lược thụ động hóa thích hợp đã chuyển thành chất lượng màng cao hơn và do đó, hiệu suất của pin mặt trời cao hơn. Hiệu suất của chúng khoảng 10% vượt xa hiệu suất của pin mặt trời trước đây dựa trên tinh thể nano AgBiS2 , bao gồm cả phương pháp lắng đọng từng bước và từng lớp.
Để có được những kết quả nổi bật này, nhóm nghiên cứu đã tổng hợp mực nanocrystal AgBiS2 bằng cách đưa vào một tác nhân phân tử đa chức năng có chứa clo. Cấu trúc phân tử của nó giúp ổn định các nanocrystal và phân tán chúng đều trong dung dịch, hai yếu tố quan trọng để đảm bảo lớp phủ mịn.
Sau khi lắng đọng màng, các nhà nghiên cứu đã tiến hành thụ động hóa bổ sung trên bề mặt của các tinh thể nano AgBiS2 . Chiến lược thụ động hóa tại chỗ đặc biệt này đã kéo dài tuổi thọ của chất mang và cân bằng quá trình vận chuyển chất mang trong màng, đây cũng là những khía cạnh quan trọng để nâng cao hiệu quả của pin mặt trời.
Sự kết hợp của những hiệu ứng này chính là công thức hoàn hảo để đạt được hiệu suất chưa từng có đối với pin mặt trời bền vững mà các nhà nghiên cứu ICFO đã chứng minh trong nghiên cứu này.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
