Trong nhiều thập kỷ, silicon đã là xương sống của ngành công nghiệp năng lượng mặt trời, nhưng nó đang tiến gần đến giới hạn hiệu suất lý thuyết là 29,4%. Để vượt qua giới hạn này, các nhà khoa học đang chuyển sang các tế bào năng lượng mặt trời song song, có các vật liệu nhiều lớp để thu được nhiều ánh sáng mặt trời hơn. Tuy nhiên, việc tìm ra vật liệu đồng hành phù hợp là một nhiệm vụ khó khăn do các khiếm khuyết cản trở hiệu quả của chúng. Sự thống trị của silicon phần lớn là nhờ vào khả năng sản xuất các tấm wafer hoàn hảo của ngành công nghiệp vi mạch—một tiêu chuẩn mà các vật liệu mới hơn khó có thể đáp ứng được.
Perovskite mới được phát hiện có tính sắt điện yếu, nhưng khi bị kéo căng, nó sẽ đạt được các tính chất kỳ lạ có thể tăng cường đáng kể hiệu suất của pin mặt trời. Tín dụng: Alireza Yaghoubi
Lấy CZTS làm ví dụ, một vật liệu làm từ đồng, kẽm, thiếc và lưu huỳnh hoặc selen. Nó dồi dào, thân thiện với môi trường và giá thành thấp, nhưng khả năng dễ bị khuyết tật đã làm chậm quá trình áp dụng nó như một vật liệu năng lượng mặt trời thực tế.
Perovskite halide: Một sự thay đổi mang tính đột phá với nhiều thách thức
Một vật liệu hứa hẹn hơn là perovskite halide, đã có những bước tiến đáng kinh ngạc về hiệu suất—tăng 579% chỉ trong 12 năm (2009–2021). Để so sánh, mức cải thiện cao nhất của silicon chỉ là 57% trong cùng kỳ.
Perovskite halide là loại vật liệu đặc biệt vì chúng chịu được các khuyết tật tốt hơn hầu hết các vật liệu khác. Cấu trúc độc đáo của chúng mang lại một số lợi thế:
- Tính sắt điện: Chúng tạo ra các vùng phân cực khi tiếp xúc với điện trường, cải thiện khả năng trích xuất electron và giảm thiểu tổn thất năng lượng.
- Hiệu ứng Rashba: Tính năng này kéo dài tuổi thọ của electron, giúp chúng tạo ra điện hiệu quả hơn.
- Polaron lớn: Các bán hạt này che chắn các electron khỏi các khuyết tật, cho phép chuyển động mượt mà hơn qua vật liệu.
- Nút thắt cổ chai phonon nóng: Điều này làm chậm quá trình mất năng lượng từ các electron bị kích thích, chuyển đổi nhiều ánh sáng mặt trời thành điện hơn.
Tuy nhiên, perovskite halide không hoàn hảo. Hầu hết chúng đều chứa chì, gây ra rủi ro cho môi trường và chúng bị phân hủy khi tiếp xúc với nhiệt, ánh sáng hoặc không khí, hạn chế độ bền và mục đích sử dụng thương mại của chúng.
Hai kiến trúc được đề xuất cho một tế bào năng lượng mặt trời BZS ferroelectric: Phương pháp bán epitaxial (a) và màng siêu mỏng được chuyển lên một chất nền polyme linh hoạt (b). Tín dụng: Alireza Yaghoubi
Nhập BaZrS3: Một ứng cử viên mới đầy hứa hẹn
Trong khi perovskite halide đã thu hút sự chú ý, một vật liệu khác đang nổi lên như một ứng cử viên: BaZrS3 (BZS), một loại perovskite chalcogenide (chalcogenide là một loại vật liệu bao gồm sulfide, selenide và telluride). Không giống như perovskite halide, BZS ổn định, không độc hại và vẫn giữ được các đặc tính có lợi cho pin mặt trời.
Sử dụng siêu máy tính tại NCI (Cơ sở hạ tầng tính toán quốc gia), các nhà nghiên cứu tại Trung tâm quang điện tiên tiến Úc (ACAP) đã phát hiện ra một phiên bản BZS có tính sắt điện yếu. Bằng cách áp dụng ứng suất, họ đã tăng cường các đặc tính của nó để mô phỏng các đặc điểm kỳ lạ của perovskite halide.
Trong bài báo được công bố trên Communications Materials, Alireza Yaghoubi và các đồng nghiệp đề xuất một thiết kế đầy tham vọng: xếp chồng lên nhau tới 100 lớp BZS siêu mỏng, bán trong suốt để tăng hiệu suất. Khi kết hợp với các công nghệ năng lượng mặt trời silicon hiện có, điều này có thể đạt được mức hiệu suất vượt quá 38%.
Mặc dù có lời hứa hẹn, Yaghoubi cho biết việc sản xuất pin mặt trời BZS là một thách thức. "Nhiệt động lực học là một con đường hai chiều. Nếu một thứ gì đó quá ổn định đến mức không dễ bị phá vỡ, thì điều đó cũng có nghĩa là nó rất khó sản xuất ngay từ đầu." Ông tiếp tục "Hầu hết các chalcogenide thích lưu huỳnh hơn oxy, nhưng trong trường hợp của BZS, cả zirconi và bari đều có ái lực cao với oxy. Chúng ta cần một môi trường được kiểm soát chặt chẽ hơn đáng kể để tránh ô nhiễm."
Perovskite chalcogenide: Tương lai của năng lượng mặt trời?
BaZrS3 có thể đại diện cho bước nhảy vọt tiếp theo trong công nghệ năng lượng mặt trời. Trong khi perovskite halide đã mở đường với hiệu suất đáng kể, các vấn đề như độc tính và mất ổn định hạn chế tiềm năng thương mại của chúng.
BZS cung cấp một giải pháp thay thế ổn định, không độc hại với lời hứa về hiệu quả cao hơn. Tuy nhiên, việc phát triển các phương pháp sản xuất hiệu quả vẫn là một thách thức quan trọng. Với sự đổi mới liên tục, BZS và các vật liệu tương tự có thể dẫn đến năng lượng mặt trời sạch hơn, hiệu quả hơn, mở ra kỷ nguyên mới của năng lượng bền vững.
Câu chuyện này là một phần của Science X Dialog, nơi các nhà nghiên cứu có thể báo cáo những phát hiện từ các bài báo nghiên cứu đã công bố của họ. Truy cập trang này để biết thông tin về Science X Dialog và cách tham gia.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
