Tăng cường hiệu suất năng lượng lớn cho pin mặt trời uốn dẻo
Bởi Viện KHOA HỌC TRUNG QUỐC NGÀY 6 THÁNG 9 NĂM 2023
Các nhà nghiên cứu đã nâng cao hiệu quả của pin mặt trời hữu cơ bậc ba bằng cách giới thiệu thành phần “khách”. Việc sửa đổi này cho phép cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và tối ưu hóa hoạt động của pin mặt trời. Thông qua vị trí chiến lược và sửa đổi thành phần khách này, họ đã đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng tăng hơn 19%.
Các nhà khoa học gần đây đã điều chỉnh vật liệu của pin mặt trời hữu cơ bậc ba (TOSC) và đạt được hiệu suất ngang bằng với các loại pin mặt trời thông thường của họ.
Kết quả đã được công bố gần đây trên tạp chí Advanced Materials. Nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu từ Viện Năng lượng sinh học và Công nghệ xử lý sinh học Thanh Đảo (QIBEBT) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS).
Pin mặt trời hữu cơ và vô cơ
Pin mặt trời quang điện hữu cơ (OSC) là một loại pin mặt trời sử dụng vật liệu hữu cơ, thường bao gồm các phân tử nhỏ hoặc polyme, để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, khác với pin mặt trời vô cơ truyền thống, sử dụng silicon tinh thể hoặc các vật liệu vô cơ khác.
Một trong những ưu điểm chính của OSC là tính linh hoạt và nhẹ. Chúng có thể được sản xuất với giá rẻ ở dạng cuộn linh hoạt thay vì dạng tấm cứng—sử dụng các quy trình dựa trên giải pháp, như in phun—làm cho chúng phù hợp với nhiều ứng dụng như cảm biến, bộ sạc di động hoặc thiết bị điện tử đeo trên người. OSC cũng có thể được thiết kế bán trong suốt hoặc có nhiều màu sắc khác nhau, cho phép tích hợp thẩm mỹ vào các tòa nhà, cửa sổ hoặc các cấu trúc khác.
Tuy nhiên, OSC có hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) thấp hơn so với pin mặt trời vô cơ. TOSC đã thay đổi tình hình ở một mức độ nào đó. Không giống như pin mặt trời hữu cơ nhị phân truyền thống, bao gồm vật liệu cho và vật liệu nhận, TOSC bao gồm thành phần thứ ba bổ sung, thường được gọi là “khách”. Thành phần dành cho khách này được giới thiệu để tối ưu hóa các khía cạnh khác nhau trong hoạt động của pin mặt trời, từ điều chỉnh dòng năng lượng bên trong của tế bào đến cải thiện cách tế bào chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng.
Minh họa về tập hợp 'hợp kim' máy chủ/khách được nhúng trong lớp hoạt động thành phần ba thành phần. Tín dụng: LI Yonghai
Vai trò của thành phần “Khách”
Đặc biệt quan tâm đến lợi ích của PCE, thành phần khách cũng có thể mở rộng phổ ánh sáng có thể được hấp thụ. Bằng cách chọn vật liệu khách có khả năng hấp thụ ánh sáng trong phạm vi không được bao phủ bởi chất cho hoặc chất nhận, khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời tổng thể của tế bào có thể tăng lên. Trong khi đó, hình thái màng pha trộn, nơi quá trình phân ly, tạo điện tích và vận chuyển của exciton có thể được điều chỉnh tốt.
Với nhiều chức năng khác nhau mà thành phần khách có thể thực hiện, vị trí cụ thể của nó trong ma trận hoặc ‘bánh sandwich’ pin mặt trời có thể thay đổi hoàn toàn hiệu suất. LI Yonghai, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Tùy thuộc vào vị trí của nó, thành phần khách có thể truyền năng lượng nhanh như chớp hoặc giúp thu được nhiều ánh sáng mặt trời hơn”.
Có ba khả năng vị trí khác nhau: được nhúng trong vật liệu cho, được nhúng trong vật liệu nhận hoặc phân tán theo cách nào đó giữa giao diện của chất cho và chất nhận, tạo thành các cấu trúc pha trộn, giống như hợp kim (tập hợp). Nhưng cho đến nay, người ta rất ít chú ý đến việc xử lý vị trí thành phần khách.
Chi tiết và kết quả thí nghiệm
Trong nghiên cứu của mình, các nhà nghiên cứu đã sử dụng thành phần khách gọi là LA1 (khác với các vật liệu thành phần khách khác về độ kết tinh của chúng) trong TOSC. LA1 là chất nhận phân tử nhỏ được các nhà nghiên cứu biến đổi bằng chuỗi bên phenylalkyl – một nhóm chức năng (tập hợp các nguyên tử trong phân tử có tập hợp đặc tính riêng) thường được sử dụng trong thiết kế vật liệu hữu cơ để sử dụng trong các thiết bị quang điện. LA1 được cải biến bằng chuỗi bên phenylalkyl để cải thiện độ kết tinh và sự liên kết của nó trong khi vẫn duy trì khả năng tương thích thỏa đáng, từ đó nâng cao hiệu suất của nó trong TOSC.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã điều chỉnh sự phân bố thành phần khách của họ bằng cách thử nghiệm các điều kiện khác nhau chi phối sự tương tác với các thành phần vật chủ, bao gồm khả năng tương thích vật chủ/khách, năng lượng bề mặt, động học tinh thể và tương tác giữa các phân tử. Bằng cách đó, họ đã tìm thấy các tập hợp giống như hợp kim trong hầu hết các phân tử khách, chúng cũng thấm và phân tán vào các phân tử chủ.
Thật ấn tượng, kích thước tinh thể của các ‘hợp kim’ chủ/khách được nhúng này có thể dễ dàng tinh chỉnh để cải thiện khả năng vận chuyển điện tích và ức chế tái hợp điện tích. Kết quả là, các nhà nghiên cứu ban đầu có thể đạt được mức tăng PCE trên 15%, và sau đó bằng cách kết hợp thành phần khách của họ với nhóm chấp nhận Y6 làm thành phần chủ, họ vẫn đạt được mức tăng hiệu quả cao hơn trên 19%.
Các nhà nghiên cứu cảm thấy họ đã đạt được thành công thực nghiệm đáng kể, nhưng động lực về những lợi ích này vẫn chưa được hiểu rõ về mặt lý thuyết. Trong tương lai, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ làm rõ hơn các cơ chế cơ bản này.
Tham khảo: “Tập hợp hợp kim máy chủ/khách nhúng cho phép quang điện hữu cơ ternary hiệu suất cao” của Xiaoning Wang, Jianxiao Wang, Pengchao Wang, Chenyu Han, Fuzhen Bi, Junjie Wang, Nan Zheng, Cheng Sun, Yonghai Li và Xichang Bao, ngày 31 tháng 7 2023, Tài liệu nâng cao.
DOI: 10.1002/adma.202305652
