Ổn định pin mặt trời perovskite không có chì

Ổn định pin mặt trời perovskite không có chì

    Ổn định pin mặt trời perovskite không có chì
    bởi Đại học Công nghệ Nanyang, Đại học Công nghệ Nanyang

    Time for perovskite solar cells to take their place in the sun


    (Trái) Cấu trúc phân tử của perovskite (xanh dương) với lớp phủ gốc kẽm (xanh lá cây). (Phải) Quy trình FP mà các nhà nghiên cứu đã sử dụng để phủ lớp phủ gốc kẽm lên lớp perovskite. Ảnh: NTU Singapore.
    Pin mặt trời làm từ perovskite, một vật liệu có khả năng thu ánh sáng mặt trời và chuyển đổi thành điện năng, có tiềm năng lớn để thay thế pin mặt trời silicon.

    Mặc dù có hiệu suất vượt trội, hiệu quả và chi phí sản xuất rẻ hơn, pin mặt trời perovskite chưa được sản xuất thương mại cho thị trường tiêu dùng.

    Perovskite bị phân hủy khi chúng phản ứng với độ ẩm và oxy hoặc khi chúng tiếp xúc với ánh sáng, nhiệt hoặc được sử dụng trong thời gian dài, dẫn đến lo ngại rằng một lượng nhỏ chì, một kim loại nặng độc hại, có trong pin mặt trời perovskite có thể gây ô nhiễm môi trường khi pin mặt trời bị hỏng hoặc bị loại bỏ.

    Chì đến từ cả vật liệu perovskite và hợp chất được sử dụng để tạo thành phần của pin mặt trời perovskite, được gọi là lớp phủ.

    Giờ đây, nghiên cứu của các nhà khoa học từ Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU Singapore) và Viện Nghiên cứu và Kỹ thuật Vật liệu (IMRE) thuộc Cơ quan Khoa học, Công nghệ và Nghiên cứu (A*STAR) ở Singapore đã cung cấp khả năng đóng nắp các vật liệu dựa trên về các kim loại không độc hại đang được sử dụng trong sản xuất pin mặt trời perovskite.

    Nghiên cứu của họ, được xuất bản trên Nature Energy vào tháng 2 năm 2023 và được dẫn dắt bởi Giáo sư Sum Tze Chien, Giám đốc Viện Nghiên cứu Cao cấp tại NTU và Phó Trưởng khoa (Nghiên cứu) của Trường Khoa học thuộc NTU, và Giáo sư Lam Yeng Ming, Chủ tịch Trường Khoa học của NTU. Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, có thể đưa pin mặt trời perovskite tiến một bước gần hơn đến thị trường.

    Pin mặt trời perovskite được làm từ nhiều lớp vật liệu, bao gồm lớp perovskite thu ánh sáng và lớp phủ. Lớp phủ được phủ lên trên lớp perovskite để bảo vệ pin mặt trời khỏi các áp lực môi trường như nhiệt độ và độ ẩm, đồng thời tăng hiệu suất của pin.


    Để chế tạo lớp phủ dựa trên kẽm, các nhà nghiên cứu đã hòa tan các hóa chất và phủ dung dịch lên lớp perovskite trong hộp đựng găng tay. Hộp găng tay bảo vệ perovskite khỏi oxy và độ ẩm trong môi trường trước khi nó được phủ. Tín dụng: NTU Singapore.
    Để đảm bảo rằng lớp phủ tương thích với lớp perovskite bên dưới, các nhà nghiên cứu thường sử dụng phương pháp gọi là phương pháp nửa tiền chất (HP) để chế tạo lớp phủ. Một trong những tiền chất hóa học đầu tiên được lắng đọng trên lớp perovskite cung cấp tiền chất khác. Thông qua một quá trình được gọi là phản ứng trao đổi cation, tiền chất lắng đọng sau đó phản ứng với các ion chì có trong lớp perovskite bên dưới để tạo thành hợp chất hóa học dựa trên chì tạo nên lớp phủ.

    Do phương pháp HP, chì cũng có trong lớp nắp bảo vệ. Một phương pháp cho phép sử dụng các kim loại không độc hại trong lớp phủ sẽ là yếu tố thay đổi cuộc chơi đối với pin mặt trời perovskite.

    Để làm cho pin mặt trời perovskite thân thiện với môi trường hơn, các nhà khoa học của NTU đã nghĩ ra một phương pháp, được gọi là phương pháp giải pháp tiền chất đầy đủ (FP), để tổng hợp một lớp phủ không chứa chì.

    Sử dụng phương pháp FP, các nhà khoa học đã phủ perovskite bằng dung dịch chứa muối halogen kim loại—hợp chất được tạo thành từ kim loại và các nguyên tố bao gồm clo, flo và iốt—và phenethylammonium iodide (PEAI) thường được áp dụng cho perovskite để cải thiện hiệu suất của perovskite năng lượng mặt trời tế bào. PEAI chứa amoni, một ion tích điện dương chứa nitơ và hydro, rất cần thiết cho phản ứng hóa học.

    Hợp chất dựa trên kẽm dẫn đường
    Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng hợp chất dựa trên kẽm PEA2ZnX4 được tổng hợp bằng phương pháp này là vật liệu che phủ hiệu quả nhất trong số các vật liệu khác được thử nghiệm.

    Không giống như phương pháp HP, không cần phải hút các ion chì từ lớp perovskite bên dưới để tạo thành lớp phủ bảo vệ này khi sử dụng phương pháp FP. Điều này mở đường cho việc sử dụng các kim loại không độc hại trong lớp phủ.

    Theo các nhà nghiên cứu, quy trình FP cũng hiệu quả hơn so với phương pháp HP trong việc chế tạo lớp phủ vì các hóa chất trong dung dịch có thể phản ứng với nhau trực tiếp trên bề mặt của perovskite.


    Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một hệ thống bay hơi chân không để tổng hợp các lớp còn lại của pin mặt trời perovskite, một phương pháp thường được sử dụng để chế tạo pin mặt trời perovskite. Tín dụng: NTU Singapore.
    Để chế tạo pin mặt trời phủ PEA2ZnX4, trước tiên, các nhà nghiên cứu đã hòa tan muối kẽm halogenua và PEAI trong một dung môi gọi là acetonitril, thường được sử dụng cho các ứng dụng công nghiệp. Sau đó, họ gửi dung dịch lên một lớp perovskite quay nhanh được gắn vào một điện 

    liên minh với chất nền thủy tinh dẫn điện để tạo thành một lớp mỏng và đồng nhất—một quá trình được gọi là phủ kéo sợi.

    Perovskite phủ được gia nhiệt ở 100 độ C trong 10 phút để liên kết lớp phủ với bề mặt của perovskite. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một quy trình gọi là bay hơi chân không, trong đó vật liệu được nung nóng trong buồng chân không để tạo ra hơi đọng lại trên perovskite được phủ, để tổng hợp các lớp khác của pin mặt trời perovskite.

    Sử dụng phương pháp FP, các nhà khoa học đã tạo ra một pin mặt trời nguyên mẫu có kích thước 1 inch x 1 inch được phủ hợp chất dựa trên kẽm.

    Các nhà khoa học đã kiểm tra lớp phủ dựa trên kẽm bằng kính hiển vi điện tử và quang phổ học và thấy rằng nó không ảnh hưởng đến tính chất điện của lớp perovskite bên dưới. Lớp phủ cũng giúp che phủ các khuyết tật trên bề mặt của lớp perovskite và cải thiện khả năng thu nhận ánh sáng của nó.

    Các nhà nghiên cứu nói rằng phương pháp của họ góp phần vào nỗ lực làm cho pin mặt trời perovskite trở nên thân thiện với môi trường hơn. Ví dụ, phương pháp này có thể được sử dụng cùng với vật liệu perovskite không chì hiện đang được khám phá để phát triển pin mặt trời không giải phóng kim loại độc hại khi bị loại bỏ.

    Phương pháp này cũng mở ra khả năng chế tạo thành phần của lớp phủ để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời perovskite.

    "Một trong những nhược điểm lớn nhất của việc sử dụng pin mặt trời perovskite là tác động của chúng đối với môi trường. Bằng cách cho phép sử dụng kẽm và các kim loại không độc hại khác trong lớp phủ, cải tiến của chúng tôi có khả năng giải quyết một trở ngại lớn ngăn cản việc sử dụng rộng rãi pin mặt trời perovskite. tế bào," Tiến sĩ Ye Senyun, nhà nghiên cứu từ Trường Khoa học Vật lý và Toán học của NTU, một trong những nhà nghiên cứu chính của nghiên cứu cho biết.

    Đồng tác giả chính, Tiến sĩ Rao Haixia, nhà nghiên cứu từ Trường Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu của NTU, cho biết: "Vì phương pháp của chúng tôi không yêu cầu chiết xuất ion chì từ perovskite, điều này cho phép khả năng sử dụng nhiều loại vật liệu để tăng cường tính ổn định và hiệu quả của pin mặt trời perovskite."

    Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng pin mặt trời được chế tạo có hiệu quả trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng như pin mặt trời perovskite thông thường. Trong các thí nghiệm với ánh sáng mô phỏng ánh sáng mặt trời, pin mặt trời có thể chuyển đổi 24,1% ánh sáng thu được thành điện năng, gần bằng hiệu suất cao nhất mà pin mặt trời perovskite đạt được cho đến nay. Để so sánh, hiệu suất chuyển đổi ánh sáng được chứng nhận cao nhất của pin mặt trời silicon là 25,2%.


    (Bên trái) Sơ đồ hiển thị các lớp khác nhau của pin mặt trời perovskite được phủ bằng vật liệu phủ kẽm do các nhà nghiên cứu chế tạo. (Phải) Hình chữ nhật chấm màu xanh lá cây biểu thị vùng hoạt động của pin mặt trời perovskite thu ánh sáng mặt trời và chuyển đổi thành điện năng. Tín dụng: NTU Singapore.
    "Lớp phủ là một thành phần quan trọng của pin mặt trời perovskite. Cách tiếp cận mới này để thiết kế lớp phủ là một cột mốc quan trọng trong việc thiết kế pin mặt trời perovskite với các đặc tính nâng cao", Giáo sư Michael Grätzel, Giám đốc Phòng thí nghiệm Quang tử và Giao diện tại École Polytechnique Fédérale de Lausanne ở Thụy Sĩ, người không tham gia vào nghiên cứu.

    Nguyên mẫu cũng thể hiện khả năng tái tạo tốt, với tỷ lệ chuyển đổi ánh sáng trung bình gần 23% trên 103 tế bào được thử nghiệm. Nó có tuổi thọ cao, duy trì hơn 90% khả năng chuyển đổi ánh sáng thành điện năng trong hơn 1.000 giờ hoạt động hết công suất.

    Hiệu suất của thiết bị cũng ổn định hơn ở nhiệt độ cao so với các thiết bị không có lớp phủ.

    Giáo sư Sum cho biết: “Bằng cách mở rộng thư viện vật liệu có thể được sử dụng, phát hiện của chúng tôi mở ra những cơ hội mới để phát triển vật liệu ưu việt cho lớp phủ, cho pin mặt trời perovskite hiệu quả và ổn định hơn”. "Phương pháp đóng nắp bảo vệ không chứa chì này cũng có thể được mở rộng sang các ứng dụng khác như thiết bị phát sáng perovskite, laser và máy dò."

    Giáo sư Lâm nói thêm: "Khi nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt nhanh chóng, chúng ta cần khai thác các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời tốt hơn nữa. Pin mặt trời perovskite thân thiện với môi trường và ổn định có thể là câu trả lời và sự đổi mới này có khả năng thúc đẩy việc áp dụng perovskite trên quy mô rộng hơn pin mặt trời để thu hoạch năng lượng mặt trời."

    Các nhà khoa học đang nghiên cứu mở rộng phương pháp chế tạo pin mặt trời có kích thước đầy đủ. Họ cũng đang trong quá trình nộp bằng sáng chế với NTUitive, công ty đổi mới và doanh nghiệp của NTU Singapore.

    Chi tiết về nghiên cứu có thể được tìm thấy trong Nature Energy.

    Zalo
    Hotline