Các nhà nghiên cứu của Đại học Rice đã đánh dấu một bước tiến lớn có thể có trong việc phát triển pin mặt trời perovskite, được coi là bước tiến lớn tiếp theo trong lĩnh vực quang điện mặt trời, có thể giúp giảm chi phí đáng kể hơn nữa.
Hình ảnh: Đại học Rice. Isaac Metcalf đang giữ các tinh thể 2D trong dung dịch 3D.
Chi phí của hệ thống điện mặt trời đã giảm 90% trong thập kỷ qua, giúp thay đổi bản chất của lưới điện và tầm nhìn cho tương lai. Perovskites được ca ngợi là bước nhảy vọt lớn tiếp theo vì chúng nhẹ và có khả năng chịu khuyết tật cao. Nhưng họ cũng không ổn định.
Các nghiên cứu của Đại học Rice cho biết họ có một giải pháp khả thi cho sự mất ổn định dai dẳng của pin mặt trời perovskite, có thể giúp công nghệ này thực hiện bước nhảy vọt từ phòng thí nghiệm đến thị trường. Và họ nói rằng nó đến từ một cách mới để thiết kế tế bào.
Trong một bài báo đăng trên tạp chí Science , các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm một lý thuyết cho rằng loại perovskite kém hiệu quả hơn nhưng ổn định hơn - dạng 2D - có thể mang lại một phần độ dẻo dai đó cho perovskite dễ bay hơi hơn để kéo dài tuổi thọ của chúng và giảm sự mất ổn định hóa học. .
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm dùng iodide chì formamidinium (FAPbI3), một vật liệu được sử dụng để tạo ra các tế bào perovskite có khả năng hấp thụ ánh sáng tuyệt vời, giúp nó ổn định hơn về mặt cấu trúc – và trong phòng thí nghiệm, nó dường như đang hoạt động.
“Tinh thể Perovskite bị phá vỡ theo hai cách: về mặt hóa học ⎯ phá hủy các phân tử tạo nên tinh thể ⎯ và về mặt cấu trúc ⎯ sắp xếp lại các phân tử để tạo thành một tinh thể khác,” sinh viên khoa học vật liệu Rice, Isaac Metcalf, cũng là tác giả chính của kết quả, cho biết. Bài báo khoa học .
“Trong số các tinh thể khác nhau mà chúng tôi sử dụng trong pin mặt trời, tinh thể ổn định nhất về mặt hóa học cũng là tinh thể kém ổn định nhất về mặt cấu trúc và ngược lại. FAPbI3 nằm ở đầu không ổn định về mặt cấu trúc của quang phổ đó.”
Pin mặt trời dựa trên silicon có giới hạn hiệu suất tối đa về mặt lý thuyết là 34%. Trên thực tế, hiệu suất cao nhất từng đo được là 26,81% vào năm 2022 của công ty Longi Trung Quốc. Thực tế đối với hầu hết các tấm pin là hiệu suất tối đa ở mức thấp nhất là 20.
Perovskites từ lâu đã được coi là một trong những bước tiến khả thi tiếp theo trong lĩnh vực năng lượng mặt trời vì chúng dễ chế tạo hơn với yêu cầu năng lượng thấp hơn đáng kể và không giống như silicon, chúng có khả năng chịu lỗi cao. Chúng nhẹ và có thể được đặt trên nhiều bề mặt, mở ra cánh cửa cho các tấm pin mặt trời có thể uốn cong.
Trong những năm gần đây, hiệu suất của các tế bào này đã tăng từ hơn 3% lên mức cải thiện đôi chút so với mức tối đa của các tấm silicon, chỉ dao động trên 24%.
Tuy nhiên, chúng cũng cực kỳ khó ổn định và hiện chỉ có tuổi thọ hàng tháng, so với hàng chục năm mà tấm silicon có thể mang lại. Việc mở rộng quy mô công nghệ cũng sẽ là một thách thức vì các ô có diện tích lớn hơn sẽ kém hiệu quả hơn các ô nhỏ hơn.
Việc xây dựng perovskites trên quy mô lớn đã đánh bại nhiều nhà nghiên cứu và công ty, bao gồm cả Diesol ở Úc, công ty đã trở thành Greatcell Solar và sau đó là Greatcell Energy khi công nghệ của họ được giải cứu khỏi tình trạng thanh lý vào năm 2019.
Doping để phát triển cơ bắp
Nhóm Rice đã pha tạp giải pháp FAPbI3 bằng perovskite hai chiều (2D) được thiết kế đặc biệt; hai loại có cấu trúc bề mặt tương tự như chì iodua và hai loại khác nhau.
Lý thuyết là mặc dù vật liệu 2D không hấp thụ ánh sáng tốt nhưng nó ổn định hơn về mặt hóa học và cấu trúc và có thể mang lại cho 3D FAPbI3 một phần cơ bắp đó.
Ý tưởng này đã thành công khi perovskite 2D cung cấp một loại mẫu để perovskite 3D sao chép khi nó phát triển. Mẫu này đã bổ sung khả năng nén và độ ổn định cho cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu 3D.
Metcalf cho biết: “Việc bổ sung các tinh thể 2D phù hợp tốt giúp các tinh thể FAPbI3 hình thành dễ dàng hơn, trong khi các tinh thể 2D kém phù hợp thực sự khiến nó khó hình thành hơn, xác nhận giả thuyết của chúng tôi”.
“Phim FAPbI3 được tạo khuôn bằng tinh thể 2D có chất lượng cao hơn, ít thể hiện sự rối loạn bên trong hơn và thể hiện phản ứng mạnh hơn với ánh sáng, nghĩa là hiệu quả cao hơn.”
Giàn giáo được cải thiện hiệu quả và độ bền.
Hiệu suất tổng thể giảm chưa đến 3% trong khoảng 1.000 giờ hoạt động ở nhiệt độ 85 độ C, trong khi pin mặt trời với mẫu 2D được tối ưu hóa không bắt đầu xuống cấp ngay cả sau 20 ngày. Việc thêm lớp đóng gói đã cải thiện độ bền theo thang thời gian giúp hệ thống có khả năng tồn tại về mặt thương mại.
Hàng thập kỷ làm việc để đến được đây, cần nhiều hơn nữa
Một báo cáo năm ngoái cho rằng pin mặt trời perovskite có thể là một “lực lượng khả thi” vào năm 2030, mục tiêu dựa trên 100 megawatt (MW) của dây chuyền sản xuất thí điểm được ủy quyền tại bốn công ty chủ chốt – Microquanta, GCL Perovskite, Utmolight và Oxford PV.
Nhưng còn một chặng đường dài để đạt được công nghệ đó.
Tại Úc, một công ty khởi nghiệp chưa có doanh thu ở California tên là Caelux đang chăm chú nghiên cứu nghiên cứu của Đại học New South Wales nhằm đơn giản hóa cách kiểm tra hiệu suất của từng pin mặt trời perovskite riêng lẻ. Đó là lĩnh vực mà RMIT cũng đang xem xét.
Nhà cung cấp graphene ở Tây Úc First Graphene, Halocell Energy và Đại học Công nghệ Queensland (QUT) đã giành được 2 triệu đô la tài trợ từ chính phủ Úc vào năm ngoái để thương mại hóa các kỹ thuật chế tạo pin mặt trời perovskite linh hoạt và chi phí cực thấp, sử dụng dây chuyền cuộn của Halocell (R2R) tại nhà máy Wagga Wagga.
Nhưng các nhà nghiên cứu từ lâu đã gọi kết quả của họ là đột phá và việc đưa công nghệ này lên khỏi mặt đất sẽ đòi hỏi sự hội tụ của những ý tưởng này nếu mục tiêu năm 2030 đó có thể thực hiện được.
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
