Kỹ thuật thụ động hóa làm giảm các khuyết tật trong pin mặt trời kesterite để đạt hiệu suất 11,51%
Chế tạo pin mặt trời và hiệu suất quang điện. Nguồn: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01756-2
Trong vài thập kỷ qua, pin mặt trời ngày càng trở nên phổ biến, với ngày càng nhiều cá nhân và doanh nghiệp trên toàn thế giới hiện đang dựa vào năng lượng mặt trời để cung cấp điện cho nhà ở hoặc hoạt động của họ. Do đó, các kỹ sư năng lượng trên toàn thế giới đã cố gắng xác định các vật liệu có triển vọng cho sự phát triển của quang điện, thân thiện với môi trường và không độc hại, đồng thời cũng có thể dễ dàng tìm nguồn và xử lý.
Bao gồm các vật liệu gốc kesterite, chẳng hạn như Cu₂ZnSnS₄ (CZTS), một loại vật liệu bán dẫn có cấu trúc tinh thể giống với khoáng chất kesterite tự nhiên. Pin mặt trời Kesterite có thể có nhiều ưu điểm so với pin quang điện silicon thông thường được sử dụng nhiều nhất hiện nay, bao gồm chi phí sản xuất thấp hơn, thành phần ít độc hại hơn và tính linh hoạt cao hơn.
Mặc dù có tiềm năng, pin mặt trời kesterite được phát triển cho đến nay đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) thấp hơn đáng kể so với các loại pin silicon tương đương. Nguyên nhân chính là do các khiếm khuyết ở quy mô nguyên tử trong vật liệu nền kesterite giữ lại các chất mang điện tích và thúc đẩy sự tái hợp không bức xạ, một quá trình gây ra tổn thất năng lượng và do đó làm giảm hiệu suất của pin mặt trời.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Thâm Quyến và Đại học Rennes gần đây đã giới thiệu một kỹ thuật thụ động hóa mới có thể giúp ngăn chặn các khiếm khuyết trong CZTS và các loại kesterite khác, từ đó có thể tăng hiệu suất của pin mặt trời dựa trên các vật liệu này. Kỹ thuật mà họ đề xuất, được nêu trong một bài báo được công bố trên tạp chí Nature Energy, đã được phát hiện là tạo ra pin mặt trời có hiệu suất được chứng nhận là 11,51% mà không cần sử dụng bất kỳ chất phụ gia nào khác để cải thiện các đặc tính của vật liệu.
"CZTS là vật liệu quang điện cạnh tranh, đặc biệt là đối với các tế bào quang điện đa giao thoa", Tong Wu, Shuo Chen và các đồng nghiệp đã viết trong bài báo của họ. "Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của thiết bị vẫn trì trệ trong nhiều năm. Các khuyết tật ở mức sâu, chẳng hạn như chỗ trống lưu huỳnh (VS), gây ra sự tái hợp phi bức xạ nghiêm trọng của các chất mang điện tích. Chúng tôi đề xuất một chiến lược thụ động hóa cho VS thông qua xử lý nhiệt của dị giao thoa CdS/CZTS trong môi trường giàu oxy".
Chiến lược thụ động hóa do nhóm nghiên cứu này đưa ra bao gồm việc làm nóng dị giao thoa CdS/CZTS, là giao diện giữa vật liệu kesterite (tức là CZTS) và lớp đệm cadmium sulfide (CdS), tất cả đều nằm trong môi trường giàu oxy. Các lớp đệm là các lớp trung gian trong các tế bào quang điện được đặt giữa các vật liệu hấp thụ, trong trường hợp này là CZTS, và một vật liệu dẫn điện trong suốt.
"Trong quá trình này, VS bị các nguyên tử oxy chiếm giữ, ngăn chặn các khuyết tật VS", Wu, Chen và các đồng nghiệp giải thích. "Ngoài ra, sự khuếch tán của các ion Cd đến lớp hấp thụ CZTS và sự hình thành các phức hợp Na–O và Sn–O dương có thể thụ động hóa các khuyết tật liên quan. Những tác động này dẫn đến giảm sự kết hợp điện tích và sự liên kết dải thuận lợi".
Để chứng minh tiềm năng của phương pháp thụ động hóa của mình, các nhà nghiên cứu đã áp dụng nó vào các tế bào quang điện dựa trên CZTS thực tế và sau đó đánh giá hiệu suất của các tế bào này trong một loạt các thử nghiệm. Họ phát hiện ra rằng chiến lược của họ đã cải thiện PCE của các tế bào mà không cần sử dụng bất kỳ chất phụ gia hoặc chiến lược pha tạp bên ngoài nào.
"Chúng tôi chứng minh hiệu suất được chứng nhận là 11,51% đối với các tế bào quang điện CZTS được xử lý bằng dung dịch không khí (khoảng cách dải 1,5 eV) mà không cần bất kỳ hợp kim cation bên ngoài nào", Wu, Chen và các đồng nghiệp viết. "Nghiên cứu này cung cấp thông tin chi tiết về cơ chế thụ động hóa khuyết tật và cải thiện hiệu suất của các tế bào quang điện kesterite".
Trong tương lai, nghiên cứu gần đây của Wu, Chen và các đồng nghiệp của họ cùng chiến lược thụ động hóa mới mà họ đưa ra có thể được hoàn thiện hơn nữa và áp dụng cho các tế bào quang điện dựa trên kesterite khác. Cuối cùng, nó có thể góp phần vào sự tiến bộ của các tế bào quang điện này, từ đó có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai chúng trong thế giới thực.
Thông tin thêm: Tong Wu và cộng sự, Xử lý nhiệt trong môi trường giàu oxy để ngăn chặn các bẫy sâu trong tế bào quang điện Cu2ZnSnS4 với hiệu suất được chứng nhận là 11,51%, Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01756-2.
