Một bước đột phá trong nghiên cứu về năng lượng mặt trời đã thúc đẩy sự phát triển pin mặt trời chấm lượng tử (QD) hiệu quả nhất thế giới, đánh dấu bước nhảy vọt đáng kể trong việc thương mại hóa pin mặt trời thế hệ tiếp theo. Giải pháp và thiết bị QD tiên tiến này đã chứng minh hiệu suất vượt trội, duy trì hiệu quả ngay cả sau khi lưu trữ lâu dài.
Hiệu suất quang điện và đặc tính bề mặt của các lớp PQD bằng các phương pháp trao đổi phối tử khác nhau. Nguồn: Năng lượng thiên nhiên (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01450-9
Dưới sự dẫn dắt của Giáo sư Sung-Yeon Jang từ Trường Kỹ thuật Năng lượng và Hóa học tại UNIST, một nhóm các nhà nghiên cứu đã công bố một kỹ thuật trao đổi phối tử mới. Cách tiếp cận cải tiến này cho phép tổng hợp các chấm lượng tử perovskite dựa trên cation hữu cơ (PQD), đảm bảo độ ổn định đặc biệt đồng thời ngăn chặn các khuyết tật bên trong lớp quang hoạt của pin mặt trời.
Những phát hiện của nghiên cứu này, đồng tác giả bởi Tiến sĩ Javid Aqoma Khoiruddin và Sang-Hak Lee, đã được công bố trực tuyến trên tạp chí Nature Energy.
Giáo sư Jang cho biết: “Công nghệ phát triển của chúng tôi đã đạt được hiệu suất ấn tượng 18,1% trong pin mặt trời QD”. “Thành tựu đáng chú ý này thể hiện hiệu suất cao nhất trong số các pin mặt trời chấm lượng tử được Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) uy tín ở Hoa Kỳ công nhận.”
Sự quan tâm ngày càng tăng đối với các lĩnh vực liên quan là điều hiển nhiên, khi năm ngoái, ba nhà khoa học đã phát hiện và phát triển QD, là sản phẩm công nghệ nano tiên tiến, đã được trao giải Nobel Hóa học.
QD là các tinh thể nano bán dẫn có kích thước điển hình từ vài đến hàng chục nanomet, có khả năng kiểm soát các đặc tính quang điện dựa trên kích thước hạt của chúng. Đặc biệt, PQD đã thu hút được sự chú ý đáng kể từ các nhà nghiên cứu nhờ đặc tính quang điện vượt trội của chúng.
Hơn nữa, quy trình sản xuất của chúng bao gồm việc phun hoặc ứng dụng đơn giản vào dung môi, loại bỏ sự cần thiết của quá trình tăng trưởng trên chất nền. Cách tiếp cận hợp lý này cho phép sản xuất chất lượng cao trong nhiều môi trường sản xuất khác nhau.
Tuy nhiên, việc sử dụng QD trong thực tế làm pin mặt trời đòi hỏi phải có công nghệ làm giảm khoảng cách giữa các QD thông qua trao đổi phối tử, một quá trình liên kết một phân tử lớn, chẳng hạn như thụ thể phối tử, với bề mặt của QD.
PQD hữu cơ phải đối mặt với những thách thức đáng chú ý, bao gồm các khiếm khuyết trong tinh thể và bề mặt của chúng trong quá trình thay thế. Do đó, PQD vô cơ với hiệu suất hạn chế lên tới 16% chủ yếu được sử dụng làm vật liệu cho pin mặt trời.
Trên đây là chứng chỉ hiệu suất của pin mặt trời QD và Biểu đồ hiệu quả tế bào nghiên cứu tốt nhất của NREL. Nguồn: Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan
Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng chiến lược trao đổi phối tử dựa trên alkyl ammonium iodide, thay thế hiệu quả các phối tử cho PQD hữu cơ với khả năng sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả. Bước đột phá này cho phép tạo ra lớp QD quang hoạt cho pin mặt trời với hiệu suất thay thế cao và kiểm soát được khuyết tật.
Do đó, hiệu quả của PQD hữu cơ, trước đây bị giới hạn ở mức 13% khi sử dụng công nghệ thay thế phối tử hiện có, đã được cải thiện đáng kể lên 18,1%. Hơn nữa, những pin mặt trời này thể hiện sự ổn định đặc biệt, duy trì hiệu suất của chúng ngay cả sau khi lưu trữ lâu dài trong hơn hai năm. Pin mặt trời PQD hữu cơ mới được phát triển đồng thời thể hiện cả hiệu suất cao và độ ổn định.
Sang-Hak Lee, tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết: “Nghiên cứu trước đây về pin mặt trời QD chủ yếu sử dụng PQD vô cơ”. "Qua nghiên cứu này, chúng tôi đã chứng minh được tiềm năng bằng cách giải quyết những thách thức liên quan đến PQD hữu cơ vốn được chứng minh là khó sử dụng."
Giáo sư Jang cho biết: “Nghiên cứu này đưa ra một hướng đi mới cho phương pháp trao đổi phối tử trong PQD hữu cơ, đóng vai trò là chất xúc tác cách mạng hóa lĩnh vực nghiên cứu vật liệu pin mặt trời QD trong tương lai”.
