Một lớp kép tự lắp ráp có thể tăng cường độ ổn định nhiệt của các tế bào quang điện perovskite
Sơ đồ minh họa cấu trúc của lớp kép tự lắp ráp (SAB). Nguồn: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-024-01689-2
Trong vài năm qua, các công nghệ quang điện (PV) đã trở nên ngày càng phổ biến, góp phần vào nỗ lực liên tục nhằm giảm phát thải khí nhà kính. Trong khi hầu hết các tế bào quang điện trên thị trường hiện nay đều được làm bằng silicon, thì các vật liệu khác đang nổi lên như những giải pháp thay thế đầy hứa hẹn để phát triển các giải pháp PV.
Perovskite nằm trong số những vật liệu này, vì chúng có thể được sử dụng để tạo ra các tế bào quang điện giá cả phải chăng hơn, có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao. Mặc dù có tiềm năng như vậy, nhưng các tế bào quang điện perovskite (PSC) không ổn định bằng các tế bào quang điện silicon tương tự và hiệu suất của chúng có xu hướng giảm ở nhiệt độ cao và trong điều kiện môi trường thay đổi.
Một đặc điểm của các tế bào quang điện này có thể góp phần vào sự thoái hóa của chúng theo thời gian là sự phụ thuộc của chúng vào các lớp đơn tự lắp ráp chọn lọc lỗ (SAM), các màng phân tử giúp thu hút các chất mang điện tích dương. Các màng này thường không bám dính tốt vào bề mặt tế bào và góp phần vào sự bất ổn nhiệt của PSC.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Giao thông Tây An, Đại học Uppsala và các viện khác gần đây đã thiết kế một màng hai lớp tự lắp ráp có thể khắc phục những hạn chế của SAM thông thường. Bài báo của họ, được công bố trên tạp chí Nature Energy, cho thấy màng phân tử hai lớp có cấu trúc này có thể bám dính tốt hơn vào PSC, tăng cường độ ổn định nhiệt và hiệu suất tổng thể của chúng.
"Việc áp dụng PSC đòi hỏi phải cải thiện khả năng chống chịu nhiệt độ cao và biến động nhiệt độ", Bitao Dong, Mingyang Wei và các đồng nghiệp của họ đã viết trong bài báo của họ.
"Các SAM chọn lọc lỗ đã cho phép tiến triển trong hiệu suất của PSC đảo ngược, nhưng chúng có thể làm giảm độ ổn định nhiệt độ do quá trình giải hấp và tiếp xúc giao diện yếu. Chúng tôi đã phát triển một lớp kép tự lắp ráp bằng cách kết nối cộng hóa trị một SAM axit phosphonic với một lớp trên cùng là triphenylamine."
Cơ chế hỗ trợ phản ứng ghép nối giữa TATPA và 2PACz. Nguồn: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-024-01689-2
Lớp kép tự lắp ráp mới do các nhà nghiên cứu thiết kế bổ sung một lớp trên cùng vào một SAM thông thường dựa trên axit phosphonic. Lớp trên cùng này, được tạo thành từ hợp chất hữu cơ triphenylamine, tạo thành các liên kết cộng hóa trị với SAM, tạo ra một mạng lưới trùng hợp.
"Mạng lưới polyme hóa này, được hình thành thông qua quá trình alkyl hóa Friedel–Crafts, chống lại sự phân hủy nhiệt lên đến 100 °C trong 200 giờ", Dong, Wei và các đồng nghiệp của họ đã viết. "Lớp trên cùng hướng về phía trước thể hiện tiếp xúc kết dính với perovskite, dẫn đến cải thiện năng lượng kết dính gấp 1,7 lần so với giao diện SAM–perovskite".
Dong, Wei và các đồng nghiệp của họ đã thử nghiệm lớp kép tự lắp ráp của họ trong một loạt các thử nghiệm và phát hiện ra rằng nó bám dính tốt hơn vào bề mặt perovskite so với SAM lớp đơn thường được sử dụng. Đáng chú ý, phương pháp được sử dụng để sản xuất màng kép cũng rất linh hoạt và có thể được áp dụng cho nhiều phân tử hình thành SAM và tác nhân alkyl hóa khác nhau.
Các nhà nghiên cứu cũng đã áp dụng lớp kép tự lắp ráp của họ vào PSC đảo ngược để khám phá cách nó ảnh hưởng đến hiệu suất của chúng. Những phát hiện của họ rất hứa hẹn, vì việc đưa những lớp màng này vào mang lại hiệu suất chuyển đổi năng lượng tốt đồng thời cũng hạn chế tình trạng mất hiệu suất của pin theo thời gian và tăng cường độ ổn định của chúng ở nhiệt độ cao.
"Chúng tôi đã báo cáo hiệu suất chuyển đổi điện năng vượt quá 26% đối với PSC đảo ngược", Dong, Wei và các đồng nghiệp của họ viết. "Các thiết bị vô địch đã chứng minh hiệu suất giảm dưới 4% và 3% sau 2.000 giờ tiếp xúc với nhiệt ẩm (85 °C và độ ẩm tương đối 85%) và hơn 1.200 chu kỳ nhiệt giữa −40 °C và 85 °C, đáp ứng các tiêu chí về độ ổn định nhiệt độ được nêu trong tiêu chuẩn Ủy ban Kỹ thuật Điện quốc tế 61215:2021".
Trong tương lai, phương pháp tiếp cận do nhóm nghiên cứu này đưa ra có thể được sử dụng để tạo ra các màng kép tự lắp ráp khác nhằm cải thiện độ ổn định của PSC. Nhìn chung, những nỗ lực này có thể giúp thúc đẩy quang điện dựa trên perovskite, có thể góp phần vào việc áp dụng rộng rãi của chúng.
