Hiệu suất của pin mặt trời đã tăng vọt trong những năm gần đây nhờ các vật liệu thu ánh sáng như perovskites halogenua, nhưng khả năng sản xuất chúng một cách đáng tin cậy ở quy mô lớn vẫn tiếp tục là một thách thức.
Một quy trình được phát triển bởi các kỹ sư và cộng tác viên của Rice tạo ra các lớp tinh thể perovskite halogenua 2D có độ dày và độ tinh khiết lý tưởng thông qua điều khiển động của quá trình kết tinh - một bước quan trọng nhằm đảm bảo độ ổn định của thiết bị cho quang điện tử và quang điện. Nhà cung cấp hình ảnh: Jeff Fitlow/Đại học Rice
Một quy trình được phát triển bởi kỹ sư hóa học và phân tử sinh học Aditya Mohite của Đại học Rice và các cộng tác viên tại Đại học Northwestern, Đại học Pennsylvania và Đại học Rennes tạo ra các lớp bán dẫn dựa trên perovskite 2D có độ dày và độ tinh khiết lý tưởng bằng cách kiểm soát nhiệt độ và thời gian của quá trình kết tinh.
Được biết đến như là sự giam cầm không gian được điều khiển bằng động học, quá trình này có thể giúp cải thiện độ ổn định và giảm chi phí của các công nghệ mới nổi dựa trên halogenua perovskite như quang điện tử và quang điện.
Jin Hou, một tiến sĩ cho biết: “Sản xuất tinh thể perovskite 2D với độ dày lớp – hay độ dày giếng lượng tử, còn được gọi là ‘giá trị n’ – lớn hơn hai là một trở ngại lớn”. sinh viên Trường Kỹ thuật George R. Brown của Rice, là tác giả chính của một nghiên cứu về quá trình được công bố trên tạp chí Nature Synt tổng hợp . “Giá trị n cao hơn 4 nghĩa là vật liệu có dải tần hẹp hơn và độ dẫn điện cao hơn – một yếu tố quan trọng cho ứng dụng trong các thiết bị điện tử”.
Khi chúng tạo thành tinh thể, các nguyên tử hoặc phân tử tự sắp xếp thành các mạng đều đặn, có tổ chức cao. Ví dụ, nước đá có thể có 18 cách sắp xếp hoặc pha nguyên tử. Giống như các nguyên tử hydro và oxy trong băng, các hạt tạo nên perovskite halogenua cũng có thể hình thành nhiều cách sắp xếp mạng tinh thể. Do đặc tính vật liệu phụ thuộc vào pha nên các nhà khoa học đặt mục tiêu tổng hợp các lớp perovskite halogenua 2D chỉ thể hiện một pha duy nhất xuyên suốt.
Tuy nhiên, vấn đề là các phương pháp tổng hợp truyền thống cho perovskites 2D có giá trị n cao hơn tạo ra sự phát triển tinh thể không đồng đều, ảnh hưởng đến độ tin cậy hiệu suất của vật liệu.
Hou cho biết: “Trong các phương pháp tổng hợp perovskite 2D truyền thống, bạn thu được các tinh thể với các pha hỗn hợp do thiếu khả năng kiểm soát động học kết tinh, về cơ bản là sự tương tác động giữa nhiệt độ và thời gian”. “Chúng tôi đã thiết kế một cách để làm chậm quá trình kết tinh và điều chỉnh từng thông số động học dần dần để đạt được điểm ngọt ngào cho quá trình tổng hợp pha thuần túy”.
Ngoài việc thiết kế một phương pháp tổng hợp có thể đạt được mức tăng dần giá trị n trong perovskites halogenua 2D, các nhà nghiên cứu còn tạo ra một bản đồ (sơ đồ pha) của quá trình thông qua mô tả đặc tính, quang phổ quang học và học máy.
Hou cho biết: “Công trình này đẩy các ranh giới của quá trình tổng hợp perovskites giếng lượng tử 2D cao hơn, khiến chúng trở thành một lựa chọn khả thi và ổn định cho nhiều ứng dụng”.
Mohite, phó giáo sư về kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học cho biết: “Chúng tôi đã phát triển một phương pháp mới để cải thiện độ tinh khiết của tinh thể và giải quyết một câu hỏi lâu dài trong lĩnh vực này về cách tiếp cận giá trị n cao, tổng hợp tinh thể pha tinh khiết”. và khoa học vật liệu và kỹ thuật nano mà phòng thí nghiệm của họ đã đi tiên phong trong nhiều phương pháp khác nhau nhằm cải thiện chất lượng và hiệu suất chất bán dẫn halogenua perovskite, từ việc hiệu chỉnh giai đoạn kết tinh ban đầu đến thiết kế dung môi tinh chỉnh.
Mohite cho biết thêm: “Đột phá nghiên cứu này rất quan trọng đối với việc tổng hợp perovskite 2D, là chìa khóa để đạt được sự ổn định phù hợp về mặt thương mại cho pin mặt trời và cho nhiều ứng dụng thiết bị quang điện tử khác cũng như các tương tác vật chất nhẹ cơ bản”.
