Pin mặt trời perovskite song song đạt hiệu suất chuyển đổi 29%
2024/12/24 18:33
Một nhóm nghiên cứu từ Viện Nghiên cứu Hóa học, Đại học Kyoto, hợp tác với Đại học Oxford, Viện Khoa học Phân tử và Viện RIKEN, đã phát triển một phương pháp để kiểm soát cấu trúc giao diện của chất bán dẫn perovskite Sn-Pb (thiếc-chì) có chứa thiếc và bằng cách sử dụng phương pháp này trong cell dưới cùng (phần tử tạo công suất thấp hơn), họ đã đạt được hiệu suất cao trong pin mặt trời song song (nhiều mối nối) toàn perovskite. Kết quả đã được công bố vào ngày 24 tháng 12.
Kiểm soát cấu trúc của giao diện lớp perovskite bằng phenylalanine và phát triển pin mặt trời song song hiệu suất cao
(Nguồn: Đại học Kyoto)
Chất bán dẫn perovskite Sn-Pb, sử dụng thiếc và chì theo tỷ lệ 1:1, có khoảng cách dải hẹp là 1,25 eV và có khả năng chuyển đổi quang điện của ánh sáng trong vùng gần hồng ngoại trên 1050 nm, khiến chúng trở thành ứng cử viên đầy hứa hẹn cho ô dưới cùng của pin mặt trời song song perovskite. Tuy nhiên, pin mặt trời chứa thiếc dễ bị oxy hóa từ Sn(II) thành Sn(IV), khiến việc kiểm soát động lực kết tinh trở nên khó khăn.
Nghiên cứu trước đây đã cố gắng ngăn chặn quá trình oxy hóa Sn(II) bằng cách sử dụng chất phụ gia hoặc cải thiện các đặc tính bằng cách biến đổi bề mặt, nhưng nghiên cứu về các đặc tính hóa học của dung dịch tiền chất, quá trình kết tinh và tác động của chúng lên các đặc tính của màng vẫn còn hạn chế. Để ứng phó với vấn đề này, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Kyoto đã đề xuất một "chiến lược lưỡng cực" giúp tối đa hóa điện áp mạch hở bằng cách áp dụng các sửa đổi cấu trúc cho các giao diện trên và dưới của màng mỏng bán dẫn perovskite để tạo ra các lưỡng cực có lợi cho việc trích xuất điện tích.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phát triển một phương pháp chế tạo màng bán dẫn perovskite Sn-Pb chất lượng cao bằng cách sử dụng các phân tử chứa nhóm amoni và axit cacboxylic làm chất phụ gia độc đáo trong dung dịch tiền chất cho chất bán dẫn perovskite Sn-Pb. Chúng tôi thấy rằng, trong số các ion cấu thành của chất bán dẫn perovskite, Sn(II) đặc biệt chi phối các tương tác với tiền chất và chất phụ gia, nhóm axit cacboxylic kiểm soát các đặc tính keo của dung dịch và quá trình kết tinh của màng, và nhóm amoni cải thiện các đặc tính chuyển đổi quang điện của màng.
Đặc biệt, phenylalanine, một vật liệu kết hợp hai nhóm chức năng trong một phân tử, đã cải thiện chất lượng bán dẫn và tính đồng nhất của màng mỏng perovskite, vượt quá hiệu ứng của việc đưa từng nhóm chức năng vào như một phân tử riêng biệt. Sử dụng phenylalanine này làm chất phụ gia, các thiết bị một mối nối, hai mối nối và ba mối nối đã được chế tạo với hiệu suất chuyển đổi quang điện lần lượt là 23,9%, 29,7% (được chứng nhận là 29,26% bởi Viện Công nghệ thông tin vi mô Thượng Hải) và 28,7%. Điện áp mạch hở tối đa đạt lần lượt là 0,91V, 2,22V và 3,46V.
Ngoài ra, hiệu suất chuyển đổi quang điện là 28,4% đã đạt được đối với các thiết bị 2 mối nối và 3 mối nối kích thước 1cm2 thực tế hơn (27,28% đã được xác minh cho một ô 3 mối nối kích thước 1cm2 tại Viện Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia). Hơn nữa, kết quả mô phỏng quang học cho thấy rằng bằng cách tối ưu hóa thêm độ dày màng của mỗi cell bằng vật liệu hiện tại, có thể cải thiện độ dày này lên 34,4% đối với cell 3 mối nối.
Về độ bền, đã xác nhận rằng cell 3 mối nối kín vẫn duy trì được 80% hiệu suất ban đầu ngay cả sau 860 giờ chiếu sáng trong không khí. Hơn nữa, họ cũng đã thành công trong việc chế tạo một thiết bị song song toàn perovskite bốn mối nối, đạt được điện áp mạch hở là 4,94V và hiệu suất chuyển đổi quang điện là 27,9%. Đây được cho là báo cáo đầu tiên chứng minh tính khả thi của việc chế tạo một cell pin mặt trời song song toàn perovskite với bốn mối nối trở lên.
Kết quả của nghiên cứu này sẽ đóng vai trò là chuẩn mực cho các cell pin mặt trời đa mối nối toàn perovskite và chỉ rõ con đường đến các cell song song ba mối nối và bốn mối nối. Trong tương lai, công nghệ này sẽ được chuyển giao cho Enecoat Technologies (Kumiyama-cho, Tỉnh Kyoto), một công ty liên doanh được thành lập tại Đại học Kyoto, để tiến hành nghiên cứu và phát triển nhằm ứng dụng thực tế các tấm pin mặt trời perovskite hiệu suất cao.
