Perovskites, một chất thay thế 'rẻ tiền' cho silicon, hiệu quả hơn rất nhiều

Perovskites, một chất thay thế 'rẻ tiền' cho silicon, hiệu quả hơn rất nhiều

    Perovskites, một chất thay thế 'rẻ tiền' cho silicon, hiệu quả hơn rất nhiều
    bởi Đại học Rochester

    Perovskites, a 'dirt cheap' alternative to silicon, just got a lot more efficient
    Hình minh họa này từ Phòng thí nghiệm Guo cho thấy sự tương tác giữa vật liệu perovskite (lục lam) và chất nền của vật liệu điện môi kim loại. Các cặp màu đỏ và màu xanh lam là các cặp electron-lỗ trống. Hình ảnh phản chiếu từ chất nền làm giảm khả năng các electron bị kích thích trong perovskite kết hợp lại với lõi nguyên tử của chúng, làm tăng hiệu quả của perovskite trong việc thu ánh sáng mặt trời. Ảnh: Chloe Zhang


    Silicon, vật liệu bán dẫn tiêu chuẩn được sử dụng trong nhiều ứng dụng—đơn vị xử lý trung tâm máy tính (CPU), chip bán dẫn, máy dò và pin mặt trời—là một vật liệu dồi dào, có trong tự nhiên. Tuy nhiên, nó rất tốn kém để khai thác và tinh chế.

    Perovskites—một họ vật liệu có biệt danh là cấu trúc tinh thể của chúng—đã cho thấy hứa hẹn phi thường trong những năm gần đây là một chất thay thế ít tốn kém hơn, hiệu quả tương đương cho silicon trong pin mặt trời và máy dò. Giờ đây, một nghiên cứu do Chunlei Guo, giáo sư quang học tại Đại học Rochester, dẫn đầu, gợi ý rằng perovskite có thể trở nên hiệu quả hơn nhiều.

    Các nhà nghiên cứu thường tổng hợp perovskite trong phòng thí nghiệm ướt, sau đó áp dụng vật liệu này dưới dạng phim trên chất nền thủy tinh và khám phá các ứng dụng khác nhau

    Thay vào đó, Guo đề xuất một cách tiếp cận mới, dựa trên vật lý. Bằng cách sử dụng chất nền là một lớp kim loại hoặc xen kẽ các lớp kim loại và vật liệu điện môi—chứ không phải thủy tinh—ông và các đồng tác giả nhận thấy rằng họ có thể tăng hiệu suất chuyển đổi ánh sáng của perovskite lên 250%.

    Phát hiện của họ được báo cáo trong Nature Photonics.

    Guo nói: “Chưa có ai khác đạt được quan sát này về perovskites. "Đột nhiên, chúng tôi có thể đặt một bệ kim loại bên dưới perovskite, thay đổi hoàn toàn sự tương tác của các electron bên trong perovskite. Vì vậy, chúng tôi sử dụng một phương pháp vật lý để thiết kế tương tác đó."

    Sự kết hợp kim loại perovskite mới lạ tạo ra 'rất nhiều vật lý đáng ngạc nhiên'
    Kim loại có lẽ là vật liệu đơn giản nhất trong tự nhiên, nhưng chúng có thể được tạo ra để có được những chức năng phức tạp. Phòng thí nghiệm Guo có nhiều kinh nghiệm theo hướng này. Phòng thí nghiệm đã đi tiên phong trong một loạt công nghệ biến đổi các kim loại đơn giản thành màu đen tuyền, siêu thấm nước (hút nước) hoặc siêu kỵ nước (không thấm nước). Các kim loại tăng cường đã được sử dụng để hấp thụ năng lượng mặt trời và làm sạch nước trong các nghiên cứu gần đây của họ.

    Trong bài báo mới này, thay vì trình bày một cách để tăng cường kim loại, Phòng thí nghiệm Guo trình bày cách sử dụng kim loại để nâng cao hiệu quả của perovskite.

    Guo cho biết: “Một mảnh kim loại có thể thực hiện nhiều công việc giống như kỹ thuật hóa học phức tạp trong phòng thí nghiệm ướt,” đồng thời cho biết thêm rằng nghiên cứu mới có thể đặc biệt hữu ích cho việc thu hoạch năng lượng mặt trời trong tương lai.

    Guo giải thích: Trong pin mặt trời, các photon từ ánh sáng mặt trời cần phải tương tác và kích thích các electron, khiến các electron rời khỏi lõi nguyên tử của chúng và tạo ra dòng điện. Lý tưởng nhất là pin mặt trời sẽ sử dụng các vật liệu yếu để kéo các electron bị kích thích trở lại lõi nguyên tử và dừng dòng điện.

    Phòng thí nghiệm của Guo đã chứng minh rằng sự tái hợp như vậy có thể được ngăn chặn đáng kể bằng cách kết hợp vật liệu perovskite với một lớp kim loại hoặc chất nền siêu vật liệu bao gồm xen kẽ các lớp bạc, kim loại quý và oxit nhôm, một chất điện môi.

    Kết quả là giảm đáng kể sự tái hợp điện tử thông qua "rất nhiều tính chất vật lý đáng ngạc nhiên", Guo nói. Trên thực tế, lớp kim loại đóng vai trò như một tấm gương, tạo ra hình ảnh đảo ngược của các cặp electron-lỗ trống, làm suy yếu khả năng tái kết hợp của các electron với lỗ trống.

    Phòng thí nghiệm đã có thể sử dụng một máy dò đơn giản để quan sát hiệu suất chuyển đổi ánh sáng tăng 250%.

    Một số thách thức phải được giải quyết trước khi perovskite trở nên thiết thực cho các ứng dụng, đặc biệt là xu hướng xuống cấp tương đối nhanh của chúng. Hiện tại, các nhà nghiên cứu đang chạy đua để tìm ra vật liệu perovskite mới, ổn định hơn.

    Guo nói: “Khi các perovskite mới xuất hiện, chúng tôi có thể sử dụng phương pháp dựa trên vật lý của mình để nâng cao hơn nữa hiệu suất của chúng.

    Các đồng tác giả bao gồm Kwang Jin Lee, Ran Wei, Jihua Zhang và Mohamed Elkabbash, tất cả các thành viên hiện tại và trước đây của Guo Lab; và Ye Wang, Wenchi Kong, Sandeep Kumar Chamoli, Tao Huang và Weili Yu, tất cả đều thuộc Viện Quang học, Cơ khí và Vật lý Trường Xuân ở Trung Quốc.

    Zalo
    Hotline