Phương pháp ủ hydro lập kỷ lục hiệu suất mới cho pin mặt trời kesterite
Pin mặt trời do các nhà nghiên cứu chế tạo. Nguồn: Wang và cộng sự
Pin quang điện (PV), thiết bị có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, đang ngày càng phổ biến và ngày càng có nhiều người trên thế giới sử dụng chúng để tạo ra điện. Các kỹ sư năng lượng tái tạo trên toàn thế giới đang nỗ lực xác định các vật liệu và quy trình có thể giúp giảm thêm chi phí cho các công nghệ năng lượng mặt trời, đồng thời tăng thêm hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) của chúng.
Một vật liệu đầy hứa hẹn cho sự phát triển của PV là kesterite Cu2ZnSnS4 có khoảng cách băng rộng (CZTS), một chất bán dẫn thể hiện khoảng cách năng lượng lớn và do đó có thể hấp thụ ánh sáng hiệu quả hơn. Ngược lại với silicon, hiện là vật liệu chính được sử dụng để chế tạo công nghệ PV, CZTS không độc hại và được tạo thành từ các nguyên tố có nhiều trên Trái đất. Do đó, nó có thể được sử dụng để tạo ra các pin mặt trời bền vững và giá cả phải chăng hơn.
Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng cho đến nay, pin mặt trời CZTS vẫn cho thấy hiệu suất thấp hơn đáng kể so với các đối tác silicon của chúng, đạt tối đa 11%. Hiệu suất hạn chế của chúng phần lớn là do một quá trình được gọi là tái hợp hạt mang, bao gồm sự tái hợp các electron và lỗ trống do quang tạo ra trước khi chúng có thể được thu giữ để tạo ra điện.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học New South Wales ở Sydney đã khám phá khả năng giảm thiểu tác động của tái hợp hạt mang trong các tế bào quang điện kesterite có khoảng cách băng thông rộng bằng một kỹ thuật được gọi là ủ hydro.
Bài báo của họ, được công bố trên tạp chí Nature Energy, cho thấy kỹ thuật này có thể giúp cải thiện khả năng thu thập hạt mang của các công nghệ quang điện này bằng cách phân phối lại oxy và natri trong các lớp CZTS.
"Công trình của chúng tôi được truyền cảm hứng từ nhu cầu xác định một vật liệu bền vững, chi phí thấp và thân thiện với môi trường cho các công nghệ quang điện thế hệ tiếp theo", Kaiwen Sun, tác giả chính của bài báo, cho biết với Tech Xplore.
"CZTS là ứng cử viên đặc biệt triển vọng cho vị trí tế bào hàng đầu trong các kiến trúc tế bào quang điện song song do khoảng cách băng thông có thể điều chỉnh, tính ổn định và sử dụng các nguyên tố không độc hại, có nhiều trong đất. Tuy nhiên, một thách thức chính là cải thiện hiệu quả thu thập hạt mang của vật liệu này".
Mục tiêu chính của nghiên cứu gần đây này là chứng minh rằng ủ hydro, một kỹ thuật đòi hỏi phải làm nóng các thiết bị trong bầu khí quyển chứa hydro, có thể giúp tăng hiệu suất của CZTS. Để đạt được điều này, các nhà nghiên cứu đã đưa ra một phương pháp đơn giản và có thể mở rộng quy mô để ủ CZTS trong môi trường chứa hydro.
"Hydro đóng vai trò quan trọng trong phương pháp của chúng tôi, bằng cách phân phối lại natri trong vật liệu và thụ động hóa các khuyết tật, đặc biệt là gần bề mặt hấp thụ", Sun giải thích.
"Quá trình này tăng cường đáng kể quá trình vận chuyển và thu thập chất mang, các yếu tố chính để đạt được các thiết bị hiệu suất cao. Bằng cách cải thiện các đặc tính này, phương pháp của chúng tôi củng cố vị thế của CZTS như một vật liệu tế bào trên cùng thực tế và tiết kiệm chi phí trong các tế bào quang điện song song, có khả năng ghép nối hiệu quả với silicon để sử dụng phổ mặt trời rộng hơn".
Là một phần của nghiên cứu, Sun và các đồng nghiệp đã áp dụng phương pháp ủ hydro được đề xuất của họ vào một tế bào quang điện CZTS không chứa cadmium. Đáng chú ý, họ phát hiện ra rằng phương pháp này đã tăng cường hiệu suất của tế bào quang điện, mang lại hiệu suất kỷ lục là 11,4%.
"Kỹ thuật chúng tôi đề xuất không chỉ dành riêng cho CZTS mà còn cho thấy kết quả khả quan ở các vật liệu pin mặt trời màng mỏng khác, chẳng hạn như CIGS", Sun cho biết. "Trên thực tế, nó chứng minh cách CZTS có khoảng cách băng rộng, với chi phí thấp, độ ổn định và thân thiện với môi trường, có thể đóng vai trò là ứng cử viên pin hàng đầu tuyệt vời trong các kiến trúc song song, mở đường cho các giải pháp năng lượng mặt trời hiệu quả và bền vững hơn".
Bài báo gần đây của Sun và các đồng nghiệp giới thiệu một kỹ thuật đơn giản và hiệu quả để điều chỉnh sự phân phối natri trong CZTS, từ đó có thể nâng cao hiệu quả thu thập chất mang của các pin mặt trời dựa trên CZTS. Trong tương lai, phương pháp tiếp cận mà họ đề xuất có thể được áp dụng cho các PV kesterite có khoảng cách băng rộng khác, có khả năng đóng góp vào việc triển khai chúng trong tương lai trong các bối cảnh thực tế.
Sun cho biết thêm "Nghiên cứu trong tương lai của chúng tôi nhằm mục đích đẩy hiệu quả của pin mặt trời CZTS có khoảng cách băng rộng vượt quá chuẩn mực 15% trong khi vẫn duy trì các lợi thế về môi trường và kinh tế của chúng". "Điều này bao gồm việc tinh chỉnh quy trình ủ hydro và khám phá các kỹ thuật khác để tối ưu hóa hơn nữa các tính chất quang điện tử của vật liệu."
