Đối với Michael Saliba và Mahdi Malekshahi, đó là một trong những khoảnh khắc trong khoa học khi kết quả thí nghiệm tốt đặt ra nhiều câu hỏi hơn. Các nhà nghiên cứu của Đại học Stuttgart gần đây đã phát triển một quy trình mới để chế tạo pin mặt trời bằng perovskites – vật liệu tinh thể tiên tiến có tiềm năng cách mạng hóa công nghệ năng lượng mặt trời. Các tế bào của họ hoạt động rất hiệu quả và ổn định, nhưng có một nhược điểm: họ không hiểu rõ lý do tại sao quá trình này lại hoạt động hiệu quả như vậy.
Sơ đồ so sánh các quá trình lắng đọng và thụ động “truyền thống” (hàng trên cùng) và chiến lược lắng đọng và thụ động tích hợp để tạo thành màng perovskite halogenua 3D thụ động 2D (hàng dưới cùng). a) Với quy trình truyền thống, perovskite 3D trước tiên được lắng đọng bằng cách sử dụng lớp phủ quay có hỗ trợ chất chống dung môi và ủ sau đó. Sau đó, ở bước thứ hai, màng perovskite đã hoàn thiện được tráng spin một lần nữa để lắng đọng một phân tử cồng kềnh, tức là PEACl trong IPA, trước khi ủ lần thứ hai. b) Sử dụng chiến lược lắng đọng và thụ động tích hợp, PEACl được thêm vào chất chống dung môi và lắng đọng trên màng ướt đang quay trong quá trình phủ quay đầu tiên (và duy nhất). Phim 2D/3D hỗn hợp sau đó được ủ trên bếp điện. Hình nhỏ ở phía dưới bên phải minh họa cấu trúc tinh thể của phim 2D/3D (n = 1) và phim gần như 2D/3D (n > 1). Nguồn: Vật liệu tiên tiến (2024). DOI: 10.1002/adma.202309154
Saliba và Malekshahi đã liên hệ với các nhà nghiên cứu tại Xưởng đúc phân tử, một cơ sở sử dụng của Văn phòng Khoa học thuộc Bộ Năng lượng đặt tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley).
Vài tháng trôi qua nhanh chóng, nhóm Phòng thí nghiệm Berkeley đã áp dụng một bộ kỹ thuật để phát hiện những thay đổi trong cấu trúc tinh thể của vật liệu pin mặt trời perovskite trong thời gian thực khi chúng được chế tạo bằng quy trình của Saliba. Kết quả được công bố trong bài báo Vật liệu nâng cao gần đây, cung cấp cho các nhà nghiên cứu sự hiểu biết sâu sắc hơn về cách tạo ra pin mặt trời perovskite tốt hơn.
Carolin Sutter-Fella, nhà khoa học nhân viên của Molecular Foundry và là một trong những tác giả tương ứng của bài báo cho biết: “Việc chế tạo vật liệu thường là một hộp đen. "Bạn không thể thấy điều gì đang xảy ra khi vật liệu chuyển đổi từ các khối xây dựng ban đầu sang trạng thái cuối cùng. Chúng tôi đã xây dựng một số khả năng cho phép chúng tôi theo dõi sự hình thành của perovskite và các vật liệu pin mặt trời có thể in được khác một cách chi tiết. Những hiểu biết sâu sắc từ điều này công việc có thể giúp các nhà nghiên cứu giải quyết các rào cản chính trong việc thương mại hóa công nghệ đầy hứa hẹn này.”
Tim Kodalle, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Berkeley và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Bằng cách liên tục thực hiện các phép đo trong khi gửi vật liệu, chúng tôi có thể theo dõi một cách trực quan các đặc tính chức năng của nó phát triển như thế nào”. "Nó giống như xem một video."
Công việc cũng được thực hiện tại Nguồn sáng nâng cao, Văn phòng Người dùng Khoa học của Bộ Năng lượng đặt tại Phòng thí nghiệm Berkeley.
Các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Berkeley đã chiếu tia X vào vật liệu pin mặt trời perovskite khi vật liệu đang được chế tạo. Những video này, dựa trên sự tán xạ của tia X, cho thấy những thay đổi về cấu trúc xảy ra ở hai mẫu perovskite khác nhau. Video bên trái cho thấy những thay đổi trong một mẫu được xử lý bằng phân tử hữu cơ có tên PEACl. Video bên phải hiển thị những thay đổi trong mẫu không có PEACl. Các vùng màu đỏ trong video bên trái biểu thị sự hình thành lớp bảo vệ trên perovskite. Tín dụng: Tim Kodalle, Phòng thí nghiệm Berkeley
Một yếu tố thay đổi cuộc chơi tiềm năng cho năng lượng mặt trời
Perovskites có nhiều lợi thế so với các tấm pin mặt trời dựa trên silicon truyền thống đang thống trị ngành công nghiệp năng lượng mặt trời ngày nay. Thứ nhất, chúng hấp thụ ánh sáng hiệu quả hơn nhiều. Kết quả là chúng có thể được làm mỏng hơn 100 lần và thậm chí được in trên các bề mặt. Bởi vì chúng yêu cầu ít vật liệu hơn và nhiệt độ thấp hơn để xử lý nên chúng có khả năng sản xuất ít tốn kém hơn. Không giống như silicon hoặc các tấm bán dẫn khác, perovskite hoạt động tốt với các tạp chất vật liệu.
Thành phần nguyên tố của perovskite có thể dễ dàng thay đổi để chúng hấp thụ các phần khác nhau của quang phổ mặt trời, điều này mở ra cơ hội thú vị để áp dụng màng perovskite mỏng vào tấm silicon. Các tấm pin "song song" thu được có thể hiệu quả hơn đáng kể so với các tấm pin ngày nay, có khả năng tiết kiệm chi phí để đẩy nhanh quá trình chuyển đổi năng lượng sạch.
Bất chấp những lợi thế này, các tấm pin mặt trời perovskite vẫn chưa khả thi về mặt thương mại. Rào cản chính là thiếu sự ổn định và độ bền. Các tấm pin mặt trời phải có khả năng tồn tại từ 20 đến 30 năm trong mọi loại thời tiết. Perovskite hút nước và phân hủy nhanh trong điều kiện ẩm ướt, hạn chế độ bền lâu dài của chúng trên đồng ruộng. Do tính nhạy cảm với điều kiện môi trường nên việc chế tạo tế bào perovskite với chất lượng ổn định cũng khó khăn.
Sutter-Fella cho biết: “Hai phòng thí nghiệm khác nhau có thể sử dụng cùng một quy trình để tạo ra perovskite với chất lượng khác nhau đáng kể”. “Điều này khiến các nhà nghiên cứu gặp khó khăn trong việc tái tạo các thí nghiệm, so sánh kết quả và tìm ra lý do tại sao một số pin mặt trời hoạt động tốt hơn các pin khác”.
Một hàng rào bảo vệ để tránh độ ẩm
Một cách tiếp cận để cải thiện độ bền liên quan đến việc chế tạo pin mặt trời perovskite và sau đó lắng đọng một phân tử hữu cơ gọi là phenethylammonium clorua hoặc PEACl lên bề mặt của nó. Các nhà nghiên cứu nghiên cứu quy trình hai bước này đã phát hiện ra rằng PEACl tạo thành một hàng rào bảo vệ mỏng có hiệu quả trong việc giữ ẩm.
Nhóm của Saliba tại Đại học Stuttgart đã cải tiến quy trình này bằng cách tích hợp quá trình chế tạo tế bào perovskite và lắng đọng PEACl vào một bước duy nhất. Kodalle cho biết: “Quy trình đơn giản hóa như vậy có thể cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra các tế bào có chất lượng ổn định hơn”. “Về lâu dài, quy trình này có khả năng giảm chi phí và mức tiêu thụ năng lượng của quá trình sản xuất tế bào perovskite.”
Phòng thí nghiệm của Saliba phát hiện ra rằng các tế bào được tạo ra bằng quy trình của ông bền hơn và hiệu quả hơn các tế bào được tạo ra không có PEACl. Sự hợp tác với Phòng thí nghiệm Berkeley đã cung cấp lời giải thích chi tiết hơn về quan sát này, mô tả đặc điểm của vật liệu perovskite phát triển về mặt cấu trúc khi chúng được tạo ra.
Thăm dò perovskite bằng tia X, tia laser và ánh sáng trắng
Trong một phương pháp được gọi là hình ảnh đa phương thức, nhóm Phòng thí nghiệm Berkeley đã áp dụng ba kỹ thuật để thăm dò vật liệu pin mặt trời perovskite trong quá trình chế tạo, quan sát sự tiến hóa của các đặc tính của chúng khi chúng hình thành. Hai vật liệu đã được đánh giá – một vật liệu được xử lý bằng PEACl bằng quy trình từ phòng thí nghiệm của Saliba và vật liệu kia không có PEACl. Kết quả cho thấy những khác biệt quan trọng trong quá trình tiến hóa của hai mẫu.
Kỹ thuật đầu tiên, được gọi là tán xạ tia X góc rộng tần số lướt qua, được thực hiện tại Nguồn sáng nâng cao, một máy gia tốc hạt hình tròn tạo ra chùm tia X sáng. Kỹ thuật này liên quan đến việc chiếu sáng các mẫu bằng chùm tia X ở góc nông và đo mô hình thu được của tia X khi chúng tán xạ ra khỏi các nguyên tử trong mẫu. Thông tin này tiết lộ những thay đổi trong cấu trúc tinh thể trong quá trình hình thành các lớp perovskite.
Kỹ thuật thứ hai, được gọi là quang phổ phát quang, đo ánh sáng phát ra từ các mẫu khi được chiếu sáng bằng tia laser. Những thay đổi về năng lượng của ánh sáng phát ra từ các mẫu cung cấp cái nhìn sâu sắc về chất lượng tinh thể của chúng. Kỹ thuật thứ ba, được thực hiện tại Xưởng đúc phân tử, liên quan đến việc chiếu ánh sáng trắng lên các mẫu và xác định phần ánh sáng được hấp thụ bởi các mẫu.
Kỹ thuật này tiết lộ thông tin bổ sung cho phổ phát quang và kiểu tán xạ tia X, cung cấp thêm thông tin chi tiết về cấu trúc tinh thể của mẫu. Sau đó, các nhà nghiên cứu đối chiếu các luồng dữ liệu từ ba kỹ thuật để tạo ra sự hiểu biết chi tiết về sự tiến triển theo thời gian của cấu trúc tinh thể của các mẫu.
Các kỹ thuật cho thấy các tinh thể trong các mẫu được xử lý PEACl phát triển chậm hơn và có chất lượng cao hơn, với lớp giàu PEACl bảo vệ hình thành trên bề mặt của chúng. Nhóm nghiên cứu tin rằng những phát hiện này giải thích hiệu quả được cải thiện và hoạt động ổn định của tế bào trong hơn một tháng.
Sutter-Fella hình dung ra một số bước nghiên cứu tiếp theo có thể thực hiện được. Bà nói: “Chúng tôi có thể xử lý perovskite bằng các phân tử khác và xem chúng ảnh hưởng như thế nào đến độ bền và hiệu quả”. "Chúng tôi cũng cần theo dõi độ ổn định của tế bào trong thời gian hoạt động lâu hơn và trong các điều kiện môi trường thực tế hơn. Ý tưởng là tìm hiểu sự kết hợp vật liệu nào cải thiện độ ổn định của tế bào và do đó có thể kéo dài tuổi thọ của nó."
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
