Lớp phủ bảo vệ kéo dài đáng kể tuổi thọ của pin mặt trời perovskite
của Đại học Northwestern
Yi Yang, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, đã thử nghiệm một mẫu pin mặt trời mới của nhóm trong phòng thí nghiệm tại Đại học Northwestern. Nguồn: Đại học Northwestern
Các nhà khoa học của Đại học Northwestern đã phát triển một lớp phủ bảo vệ mới giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của pin mặt trời perovskite, giúp chúng thiết thực hơn khi ứng dụng bên ngoài phòng thí nghiệm.
Mặc dù pin mặt trời perovskite hiệu quả hơn và rẻ hơn so với pin mặt trời silicon truyền thống, nhưng perovskite cho đến nay vẫn bị hạn chế do thiếu độ ổn định lâu dài. Thông thường, pin mặt trời perovskite sử dụng lớp phủ gốc amoni để tăng hiệu suất. Mặc dù hiệu quả, nhưng các lớp gốc amoni bị phân hủy dưới tác động của môi trường, chẳng hạn như nhiệt độ và độ ẩm.
Các nhà nghiên cứu của Đại học Northwestern hiện đã phát triển một lớp bền hơn dựa trên amidinium.
Trong các thí nghiệm, lớp phủ mới có khả năng chống phân hủy cao hơn gấp 10 lần so với lớp phủ gốc amoni thông thường. Thậm chí còn tốt hơn, các tế bào phủ amidinium cũng tăng gấp ba lần tuổi thọ T90 của tế bào—thời gian cần thiết để hiệu suất của tế bào giảm 90% giá trị ban đầu khi tiếp xúc với điều kiện khắc nghiệt.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science.
"Lĩnh vực này đã nghiên cứu về độ ổn định của tế bào quang điện perovskite trong một thời gian dài", Bin Chen của Northwestern, người đồng dẫn đầu nghiên cứu, cho biết. "Cho đến nay, hầu hết các báo cáo đều tập trung vào việc cải thiện độ ổn định của chính vật liệu perovskite, bỏ qua các lớp bảo vệ. Bằng cách cải thiện lớp bảo vệ, chúng tôi có thể nâng cao hiệu suất tổng thể của tế bào quang điện".
"Nghiên cứu này giải quyết một trong những rào cản quan trọng đối với việc áp dụng rộng rãi tế bào quang điện perovskite—độ ổn định trong điều kiện thực tế", Mercouri Kanatzidis của Northwestern, người đồng dẫn đầu nghiên cứu, cho biết. "Bằng cách gia cố hóa học các lớp bảo vệ, chúng tôi đã cải thiện đáng kể độ bền của các tế bào này mà không làm giảm hiệu quả đặc biệt của chúng, đưa chúng ta đến gần hơn với một giải pháp thay thế thiết thực, chi phí thấp cho pin quang điện dựa trên silicon".
Chen là phó giáo sư nghiên cứu hóa học tại Cao đẳng Nghệ thuật và Khoa học Weinberg của Northwestern. Ông đồng dẫn đầu nghiên cứu với Ted Sargent, Giáo sư Hóa học Lynn Hopton Davis và Greg Davis tại Weinberg và giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Trường Kỹ thuật McCormick, và Kanatzidis, Giáo sư Hóa học Charles E. và Emma H. Morrison tại Weinberg. Yi Yang, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ được Sargent và Kanatzidis đồng cố vấn, là tác giả đầu tiên của bài báo.
Perovskite thay thế cho silicon
Trong nhiều thập kỷ, silicon là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất cho lớp hấp thụ ánh sáng trong pin mặt trời. Mặc dù silicon bền và đáng tin cậy, nhưng chi phí sản xuất rất đắt và đang tiến gần đến mức hiệu quả tối đa. Trong quá trình tìm kiếm một loại pin mặt trời có chi phí thấp hơn và hiệu suất cao hơn, các nhà nghiên cứu gần đây đã bắt đầu khám phá perovskite, một họ hợp chất tinh thể.
Mặc dù có triển vọng là một giải pháp thay thế hiệu quả về mặt chi phí cho silicon, perovskite có tuổi thọ tương đối ngắn. Tiếp xúc lâu với ánh sáng mặt trời, nhiệt độ thay đổi đột ngột, độ ẩm và độ ẩm đều khiến pin mặt trời perovskite bị xuống cấp theo thời gian.
Để vượt qua thách thức này, các nhà nghiên cứu đã bổ sung các phối tử amidinium, các phân tử ổn định có thể tương tác với perovskite để cung cấp khả năng thụ động hóa khuyết tật lâu dài và hiệu ứng bảo vệ. Các phân tử gốc amoni có một nguyên tử nitơ được bao quanh bởi ba nguyên tử hydro và một nhóm chứa cacbon, trong khi các phân tử gốc amidinium bao gồm một nguyên tử cacbon trung tâm liên kết với hai nhóm amino. Do cấu trúc của chúng cho phép các electron phân tán đều nên các phân tử amidinium có khả năng phục hồi tốt hơn trong điều kiện khắc nghiệt.
Yang cho biết: "Các pin mặt trời perovskite tiên tiến thường có các phối tử amoni làm lớp thụ động hóa". "Nhưng amoni có xu hướng bị phân hủy dưới ứng suất nhiệt. Chúng tôi đã thực hiện một số phản ứng hóa học để chuyển đổi amoni không ổn định thành amidinium ổn định hơn".
Các nhà nghiên cứu đã thực hiện quá trình chuyển đổi này thông qua một quy trình được gọi là amid hóa, trong đó nhóm amoni được thay thế bằng nhóm amidinium ổn định hơn. Sự đổi mới này đã ngăn không cho các ô perovskite bị phân hủy theo thời gian, đặc biệt là khi tiếp xúc với nhiệt độ cực cao.
Kết quả phá kỷ lục
Tế bào quang điện thu được đạt hiệu suất ấn tượng 26,3%, nghĩa là nó đã chuyển đổi thành công 26,3% ánh sáng mặt trời hấp thụ thành điện. Tế bào quang điện được phủ cũng giữ lại 90% hiệu suất ban đầu sau 1.100 giờ thử nghiệm trong điều kiện khắc nghiệt, chứng minh tuổi thọ T90 dài hơn gấp ba lần so với trước khi tiếp xúc với nhiệt và ánh sáng.
Những thí nghiệm này đánh dấu ví dụ mới nhất về hiệu suất cải tiến của tế bào quang điện perovskite từ phòng thí nghiệm Sargent. Vào năm 2022, nhóm của Sargent đã phát triển một tế bào quang điện perovskite phá vỡ kỷ lục về hiệu suất năng lượng và điện áp. Năm 2023, nhóm của ông đã giới thiệu một pin mặt trời perovskite có cấu trúc đảo ngược, cũng cải thiện hiệu suất năng lượng của nó. Và đầu năm nay, nhóm của Sargent đã kết hợp tinh thể lỏng để giảm thiểu các khuyết tật trong màng perovskite, dẫn đến hiệu suất thiết bị được cải thiện.
"Các tế bào năng lượng mặt trời dựa trên perovskite có tiềm năng góp phần khử cacbon cho nguồn cung cấp điện sau khi chúng tôi hoàn thiện thiết kế của chúng, đạt được sự kết hợp giữa hiệu suất và độ bền, và mở rộng quy mô các thiết bị", Sargent, người chỉ đạo Viện Paula M. Trienens về Phát triển bền vững và Năng lượng, cho biết. "Rào cản chính đối với việc thương mại hóa các tế bào năng lượng mặt trời perovskite là tính ổn định lâu dài của chúng. Nhưng do đã có khởi đầu từ nhiều thập kỷ trước, silicon vẫn có lợi thế ở một số lĩnh vực, bao gồm tính ổn định. Chúng tôi đang nỗ lực thu hẹp khoảng cách đó".
Nghiên cứu này có liên quan trực tiếp đến trụ cột Generate—một trong Sáu trụ cột khử cacbon của Viện Trienens. Là một phần của trụ cột Generate, Northwestern cam kết xây dựng một loại sản xuất năng lượng mặt trời mới bằng cách tập trung vào các tế bào năng lượng mặt trời đa điểm hiệu suất cao và vật liệu tế bào năng lượng mặt trời thế hệ tiếp theo. Kanatzidis là đồng chủ tịch của khoa này, và Chen là người dẫn đầu việc thực hiện.
