Mạng lưới liên kết hydro thúc đẩy hiệu suất pin mặt trời perovskite toàn phần
Ngày 18 tháng 2 năm 2026
bởi Ingrid Fadelli, Phys.org
biên tập bởi Gaby Clark, đánh giá bởi Robert Egan
Phân tích lý thuyết và thực nghiệm về sự lắp ráp phân tử. Nguồn: Nature Energy (2026). DOI: 10.1038/s41560-026-01964-4
Việc sử dụng pin mặt trời, thiết bị có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, đã tăng trưởng theo cấp số nhân trong những thập kỷ qua. Những thiết bị này cho phép sản xuất năng lượng sạch và tái tạo, có thể góp phần giảm phát thải khí nhà kính trên Trái đất và giúp giảm thiểu biến đổi khí hậu.
Hầu hết các pin mặt trời trên thị trường hiện nay được làm từ silicon. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các kỹ sư năng lượng đã khám phá tiềm năng của các vật liệu quang điện (PV) khác có thể cải thiện hơn nữa hiệu suất và tính linh hoạt của pin mặt trời, đồng thời giảm chi phí của chúng.
Một số loại pin mặt trời triển vọng nhất được giới thiệu cho đến nay được làm từ perovskite, một loại vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc trưng thể hiện các đặc tính quang điện ưu việt. Pin mặt trời dựa trên perovskite có thể nhẹ hơn, linh hoạt hơn và giá cả phải chăng hơn so với các loại pin dựa trên silicon, nhưng vẫn có thể đạt được hiệu suất đáng kể.
Mặc dù hiệu suất của chúng hiện nay tương đương với pin silicon, nhưng hầu hết các pin mặt trời dựa trên perovskite được phát triển cho đến nay đều rất nhạy cảm với độ ẩm, nhiệt độ, oxy và tia UV. Do đó, hiệu suất của chúng có xu hướng giảm nhanh theo thời gian. Hơn nữa, các hiệu ứng phân tử và giao diện bên trong pin có thể dẫn đến tổn thất năng lượng, làm giảm đáng kể hiệu suất và độ ổn định của chúng.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Miền Nam, Đại học Thành phố Hồng Kông và các viện khác gần đây đã giới thiệu một chiến lược thiết kế phân tử mới có thể giảm tổn thất năng lượng trong pin mặt trời perovskite. Chiến lược này, được trình bày trong một bài báo được công bố trên tạp chí Nature Energy, đã được chứng minh là cải thiện đáng kể hiệu suất của các loại pin mặt trời perovskite khác nhau và tăng cường độ ổn định của chúng theo thời gian.
Thiết kế phân tử, quang điện tử và tính chất cấu trúc của các lớp đơn phân tử tự lắp ráp (SAM). Nguồn: Wang và cộng sự (Nature Energy, 2026).
Một giải pháp phân tử liên kết hydro
Để khắc phục một số hạn chế của pin mặt trời perovskite, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một phân tử mới bao gồm hai đơn vị carbazole được kết nối với nhau. Sau đó, họ thêm các hóa chất cụ thể (ví dụ: amit) vào phân tử này, điều này thúc đẩy sự hình thành các liên kết hydro.
Phân tử thu được bám dính tốt hơn vào bề mặt điện cực bên trong pin mặt trời perovskite. Điều này có thể làm giảm tổn thất năng lượng liên quan đến sự chuyển động của các hạt mang điện bên trong tế bào.
"Các lớp đơn phân tử tự lắp ráp chọn lọc lỗ trống đã nâng cao hiệu suất của pin mặt trời perovskite (PSC), tuy nhiên, tương tác giữa các phân tử quá mức của chúng dẫn đến sự tự kết tụ không mong muốn và tiếp xúc giao diện yếu," Deng Wang, Zhixin Liu và các đồng nghiệp của họ đã viết trong bài báo của mình.
“Chúng tôi thiết kế một cấu trúc dimer dựa trên bicarbazole kết hợp các đơn vị amide đóng vai trò là chất cho và nhận liên kết hydro kép để tạo điều kiện hình thành mạng lưới liên kết hydro bên trong các phân tử và với oxit dẫn điện trong suốt. Thiết kế này thúc đẩy sự sắp xếp phân tử đồng nhất và mức năng lượng được căn chỉnh tốt, giảm thiểu tổn thất vận chuyển lỗ trống và tăng cường độ ổn định giao diện.”
Wang, Liu và các đồng nghiệp đã sử dụng phân tử mà họ thiết kế để tạo ra hai loại pin mặt trời perovskite khác nhau, được gọi là pin đơn lớp và pin ghép nối tiếp. Pin đơn lớp chỉ có một lớp hấp thụ ánh sáng, trong khi pin ghép nối tiếp bao gồm hai hoặc nhiều pin mặt trời xếp chồng lên nhau, mỗi lớp hấp thụ các loại bức xạ khác nhau (ví dụ: ánh sáng xanh lam hoặc đỏ/hồng ngoại).
“Chúng tôi đạt được hiệu suất 21,56% trong pin mặt trời perovskite 1,77 eV, với điện áp mạch hở là 1,35 V và hệ số lấp đầy là 85,76%,” các tác giả viết. "Chiến lược này cũng áp dụng được cho các tế bào quang điện perovskite (PSCs) 1,56 eV, mang lại hiệu suất 26,80% (được chứng nhận 26,57% bằng phương pháp quét mật độ dòng điện-điện áp (J-V) và 25,92% ở trạng thái ổn định đo được trong 300 giây). Đáng chú ý nhất, tế bào quang điện tandem tích hợp hoàn toàn bằng perovskite mang lại hiệu suất 30,19% (được chứng nhận 29,38% bằng phương pháp quét J-V và 28,40% ở trạng thái ổn định đo được trong 120 giây)."
Hướng tới việc triển khai các tế bào quang điện perovskite
Trong các thử nghiệm ban đầu, lớp phân tử mới do các nhà nghiên cứu thiết kế đã được chứng minh là làm giảm đáng kể tổn thất năng lượng, cải thiện cả độ ổn định và hiệu suất tổng thể của các tế bào perovskite. Mặc dù nó đã thúc đẩy hiệu suất của cả tế bào đơn lớp và tế bào tandem, nhưng loại thứ hai cho thấy kết quả khả quan nhất, đạt được hiệu suất đáng kể khoảng 30%.
Trong tương lai, chiến lược thiết kế phân tử của nhóm nghiên cứu có thể được áp dụng cho các loại pin mặt trời khác với thành phần khác nhau và được thử nghiệm trong các thí nghiệm thực địa kéo dài. Cuối cùng, những nỗ lực của họ có thể góp phần vào việc thương mại hóa và triển khai quy mô lớn các tấm quang điện perovskite (PV), từ đó có thể thúc đẩy hơn nữa quá trình chuyển đổi toàn cầu hướng tới năng lượng mặt trời các giải pháp năng lượng sạch hơn.
Bài viết này được viết bởi tác giả Ingrid Fadelli, biên tập bởi Gaby Clark, và được kiểm chứng và xem xét bởi Robert Egan—đây là kết quả của quá trình làm việc cẩn thận của con người. Chúng tôi dựa vào độc giả như bạn để duy trì nền báo chí khoa học độc lập. Nếu bài báo này quan trọng đối với bạn, vui lòng xem xét quyên góp (đặc biệt là hàng tháng). Bạn sẽ nhận được một tài khoản không có quảng cáo như một lời cảm ơn.
Thông tin thêm: Deng Wang và cộng sự, Các phân tử tự lắp ráp với mạng lưới liên kết hydro cho phép tạo ra các tế bào quang điện tandem perovskite hiệu quả, Nature Energy (2026). DOI: 10.1038/s41560-026-01964-4.
Thông tin tạp chí: Nature Energy
