Các nhà nghiên cứu của Đại học Northwestern một lần nữa đã nâng cao tiêu chuẩn cho pin mặt trời perovskite với một bước phát triển mới giúp công nghệ mới nổi này đạt được những kỷ lục mới về hiệu quả.
Các nhà nghiên cứu của Đại học Northwestern một lần nữa đã nâng cao tiêu chuẩn cho pin mặt trời perovskite với một bước phát triển mới giúp công nghệ mới nổi này đạt được những kỷ lục mới về hiệu quả. Tín dụng: Phòng thí nghiệm Sargent/Đại học Tây Bắc
Các phát hiện này được công bố hôm nay (17/11) trên tạp chí Khoa học , mô tả một giải pháp phân tử kép để khắc phục những tổn thất về hiệu suất khi ánh sáng mặt trời được chuyển đổi thành năng lượng. Bằng cách kết hợp thứ nhất, một phân tử để giải quyết cái gọi là tái hợp bề mặt, trong đó các electron bị mất khi chúng bị mắc kẹt bởi các khuyết tật—thiếu các nguyên tử trên bề mặt và phân tử thứ hai để phá vỡ sự tái hợp ở bề mặt tiếp xúc giữa các lớp, nhóm nghiên cứu đã đạt được Giải pháp Năng lượng tái tạo Quốc gia. Phòng thí nghiệm Năng lượng (NREL) đã chứng nhận hiệu suất là 25,1% trong khi các phương pháp trước đó đạt hiệu suất chỉ 24,09%.
Giáo sư Ted Sargent của Northwestern cho biết: “Công nghệ năng lượng mặt trời Perovskite đang phát triển nhanh chóng và trọng tâm của nghiên cứu và phát triển đang chuyển từ bộ hấp thụ khối sang các bề mặt tiếp xúc”. "Đây là điểm quan trọng để nâng cao hơn nữa hiệu quả và sự ổn định, đồng thời đưa chúng ta đến gần hơn với lộ trình đầy hứa hẹn này để thu hoạch năng lượng mặt trời hiệu quả hơn bao giờ hết."
Sargent là đồng giám đốc điều hành của Viện Năng lượng và Bền vững Paula M. Trienens (trước đây là ISEN) và là nhà nghiên cứu đa ngành về hóa học vật liệu và hệ thống năng lượng, được bổ nhiệm vào khoa hóa học của Trường Cao đẳng Khoa học và Nghệ thuật Weinberg và Trường Đại học Khoa học và Nghệ thuật Weinberg. khoa kỹ thuật điện và máy tính của Trường Kỹ thuật McCormick.
Pin mặt trời thông thường được làm từ các tấm silicon có độ tinh khiết cao, tiêu tốn nhiều năng lượng để sản xuất và chỉ có thể hấp thụ một phạm vi quang phổ mặt trời cố định.
Vật liệu Perovskite có kích thước và thành phần có thể được điều chỉnh để "điều chỉnh" bước sóng ánh sáng mà chúng hấp thụ, khiến chúng trở thành công nghệ song song mới nổi có hiệu quả cao và chi phí thấp hơn.
Trong lịch sử, pin mặt trời perovskite đã gặp phải nhiều thách thức trong việc cải thiện hiệu quả do tính không ổn định tương đối của chúng. Trong vài năm qua, những tiến bộ từ phòng thí nghiệm của Sargent và các phòng thí nghiệm khác đã mang lại hiệu quả của pin mặt trời perovskite trong phạm vi tương tự như hiệu suất có thể đạt được của silicon.
Trong nghiên cứu hiện tại, thay vì cố gắng giúp tế bào hấp thụ nhiều ánh sáng mặt trời hơn, nhóm nghiên cứu tập trung vào vấn đề duy trì và giữ lại các electron được tạo ra để tăng hiệu quả. Khi lớp perovskite tiếp xúc với lớp vận chuyển điện tử của tế bào, các electron sẽ di chuyển từ lớp này sang lớp kia. Nhưng electron có thể di chuyển ngược ra ngoài và lấp đầy hoặc “tái kết hợp” với các lỗ trống tồn tại trên lớp perovskite.
Tác giả đầu tiên Cheng Liu, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm Sargent, được đồng giám sát bởi Charles E. và Emma H. Morrison, Giáo sư Hóa học Mercouri Kanatzidis, cho biết: “Sự tái hợp ở giao diện rất phức tạp”. “Rất khó sử dụng một loại phân tử để giải quyết sự tái hợp phức tạp và giữ lại các electron, vì vậy chúng tôi đã xem xét sự kết hợp nào của các phân tử mà chúng tôi có thể sử dụng để giải quyết vấn đề một cách toàn diện hơn”.
Nghiên cứu trước đây của nhóm Sargent đã tìm thấy bằng chứng cho thấy một phân tử, PDAI 2 , thực hiện tốt công việc giải quyết sự tái hợp giao diện. Tiếp theo, họ cần tìm ra một phân tử có thể sửa chữa các khuyết tật bề mặt và ngăn các electron tái hợp với chúng.
Bằng cách tìm ra cơ chế cho phép PDAI 2 hoạt động với một phân tử thứ cấp, nhóm nghiên cứu đã thu hẹp phạm vi sử dụng lưu huỳnh, chất có thể thay thế các nhóm carbon – thường kém khả năng ngăn cản các electron chuyển động – để che phủ các nguyên tử bị thiếu và ngăn chặn sự tái hợp.
Một bài báo gần đây của cùng nhóm được xuất bản trên tạp chí Nature đã phát triển một lớp phủ cho chất nền bên dưới lớp perovskite để giúp tế bào hoạt động ở nhiệt độ cao hơn trong thời gian dài hơn. Giải pháp này, theo Liu, có thể hoạt động song song với những phát hiện trong bài báo Khoa học .
Mặc dù nhóm nghiên cứu hy vọng những phát hiện của họ sẽ khuyến khích cộng đồng khoa học lớn hơn tiếp tục thúc đẩy công việc tiến lên phía trước, nhưng họ cũng sẽ nghiên cứu các bước tiếp theo.
Cheng nói: “Chúng tôi phải sử dụng một chiến lược linh hoạt hơn để giải quyết vấn đề giao diện phức tạp”. "Chúng tôi không thể chỉ sử dụng một loại phân tử như mọi người trước đây. Chúng tôi sử dụng hai phân tử để giải quyết hai loại tái hợp, nhưng chúng tôi chắc chắn rằng có nhiều loại tái hợp liên quan đến khiếm khuyết hơn ở bề mặt tiếp xúc. Chúng tôi cần cố gắng sử dụng." nhiều phân tử hơn đến với nhau và đảm bảo tất cả các phân tử hoạt động cùng nhau mà không phá hủy chức năng của nhau."
