Pin mặt trời perovskite có hiệu suất cao và chi phí sản xuất thấp. Tuy nhiên, chúng vẫn thiếu sự ổn định trong nhiều thập kỷ dưới điều kiện thời tiết thực tế. Một nhóm nghiên cứu quốc tế do Giáo sư Antonio Abate dẫn đầu hiện đã công bố quan điểm về chủ đề này trên tạp chí Nature Reviews Materials.
Trong thí nghiệm, các tế bào năng lượng mặt trời perovskite được làm lạnh nhiều lần đến âm 150 độ C và sau đó được làm nóng đến dương 150 độ C. Những thay đổi trong cấu trúc vi mô của lớp perovskite và sự tương tác với các lớp lân cận đã được nghiên cứu trong suốt quá trình của các chu kỳ. Tín dụng: Li Guixiang
Các nhà nghiên cứu đã khám phá tác động của nhiều chu kỳ nhiệt lên các cấu trúc vi mô và tương tác giữa các lớp khác nhau của pin mặt trời perovskite. Họ kết luận rằng ứng suất nhiệt là yếu tố quyết định trong quá trình phân hủy perovskite kim loại-halide. Dựa trên điều này, họ đưa ra các chiến lược triển vọng nhất để tăng tính ổn định lâu dài của pin mặt trời perovskite.
Perovskite là một lớp vật liệu rộng với các đặc tính bán dẫn phù hợp để chuyển đổi năng lượng trong pin mặt trời: loại tốt nhất trong số chúng, perovskite halogen kim loại, đã mang lại hiệu suất lên tới 27%. Việc sản xuất các pin mặt trời màng mỏng như vậy đòi hỏi rất ít vật liệu và năng lượng, do đó năng lượng mặt trời có thể trở nên rẻ hơn đáng kể. Tuy nhiên, khi sử dụng ngoài trời, các mô-đun năng lượng mặt trời sẽ cung cấp năng suất gần như ổn định trong ít nhất 20 đến 30 năm. Và ở đây, vẫn còn nhiều chỗ để cải thiện vật liệu perovskite.
Cùng với nhóm nghiên cứu do Giáo sư Meng Li, Đại học Hà Nam, Trung Quốc và các đối tác khác tại Ý, Tây Ban Nha, Anh, Thụy Sĩ và Đức đứng đầu, các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng ứng suất nhiệt là yếu tố quyết định trong quá trình phân hủy perovskite halogen kim loại.
Điều kiện khắc nghiệt trong 'cuộc sống thực'
"Khi sử dụng ngoài trời, các mô-đun năng lượng mặt trời sẽ tiếp xúc với thời tiết và các mùa", Abate cho biết. Mặc dù việc đóng gói có thể bảo vệ các tế bào khỏi độ ẩm và oxy trong khí quyển một cách hiệu quả, nhưng chúng vẫn phải chịu sự thay đổi nhiệt độ khá lớn cả ngày lẫn đêm và trong suốt cả năm. Tùy thuộc vào điều kiện địa lý, nhiệt độ bên trong các tế bào năng lượng mặt trời có thể dao động từ âm 40 độ C đến dương 100 độ C (ví dụ như ở sa mạc).
Để mô phỏng điều này, các tế bào năng lượng mặt trời perovskite trong nghiên cứu đã tiếp xúc với sự chênh lệch nhiệt độ khắc nghiệt hơn nhiều trong một số chu kỳ: Từ âm 150 độ C đến dương 150 độ C, và cứ thế lặp đi lặp lại. Tiến sĩ Guixiang Li (lúc đó là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại HZB, hiện là giáo sư tại Đại học Đông Nam, Trung Quốc) đã nghiên cứu cách cấu trúc vi mô bên trong lớp perovskite thay đổi trong các chu kỳ và mức độ tương tác với các lớp lân cận cũng bị ảnh hưởng bởi các chu kỳ nhiệt độ.
Ứng suất nhiệt bên trong màng perovskite và giữa các lớp
Cùng nhau, các yếu tố này ảnh hưởng đến hiệu suất của pin. Đặc biệt, các chu kỳ nhiệt độ gây ra ứng suất nhiệt, tức là ứng suất cả bên trong màng mỏng perovskite và giữa các lớp liền kề khác nhau: "Trong pin mặt trời perovskite, các lớp vật liệu rất khác nhau cần phải tiếp xúc hoàn hảo; thật không may, các vật liệu này thường có hành vi nhiệt khá khác nhau", Abate giải thích.
Ví dụ, nhựa có xu hướng co lại khi được nung nóng, trong khi vật liệu vô cơ có xu hướng giãn nở. Điều này có nghĩa là trong mỗi chu kỳ, sự tiếp xúc giữa các lớp trở nên tệ hơn. Hơn nữa, sự chuyển pha cục bộ và sự khuếch tán của các nguyên tố vào các lớp liền kề cũng đã được quan sát thấy.
Chiến lược triển vọng nhất
Từ đó, các nhóm nghiên cứu đã đưa ra một chiến lược để tăng tính ổn định lâu dài của pin mặt trời perovskite. "Ứng suất nhiệt là chìa khóa", Abate nói. Do đó, điều quan trọng nhất là làm cho các cấu trúc perovskite và các lớp liền kề ổn định hơn trước ứng suất nhiệt, ví dụ bằng cách tăng chất lượng tinh thể, nhưng cũng bằng cách sử dụng các lớp đệm phù hợp.
Các nhà khoa học nhấn mạnh tầm quan trọng của các giao thức thử nghiệm thống nhất để đánh giá tính ổn định trong chu kỳ nhiệt độ và đề xuất một phương pháp để tạo điều kiện so sánh giữa các nghiên cứu khác nhau.
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
