Các nhà nghiên cứu tại EPFL và Đại học Northwestern đã công bố một thiết kế đột phá cho pin mặt trời perovskite, tạo ra một trong những PSC ổn định nhất với hiệu suất chuyển đổi năng lượng trên 25%, mở đường cho việc thương mại hóa trong tương lai.
Pin mặt trời perovskite đảo ngược với thiết kế mới gồm các tiếp điểm chọn lọc lỗ. Nhà cung cấp dịch vụ: EPFL Felix T. Eickemeyer—CC-BY-SA 4.0
Pin mặt trời Perovskite (PSC) đi đầu trong đổi mới năng lượng mặt trời và đã thu hút nhiều sự chú ý nhờ hiệu suất chuyển đổi năng lượng và sản xuất tiết kiệm chi phí. Nhưng con đường thương mại hóa PSC vẫn còn một trở ngại cần vượt qua: đạt được cả hiệu quả cao và độ ổn định lâu dài, đặc biệt là trong điều kiện môi trường đầy thách thức.
Giải pháp nằm ở sự tương tác giữa các lớp PSC, điều này đã được chứng minh là con dao hai lưỡi. Các lớp này có thể nâng cao hiệu suất của tế bào nhưng cũng khiến chúng xuống cấp quá nhanh để sử dụng thường xuyên trong cuộc sống hàng ngày.
Giờ đây, sự hợp tác giữa các phòng thí nghiệm của Michael Grätzel tại EPFL và Edward Sargent tại Đại học Northwestern, đã tạo ra bước nhảy vọt đáng kể trong việc thiết kế PSC với độ ổn định kỷ lục và hiệu suất chuyển đổi năng lượng vượt quá 25%, giải quyết hai trong số những thách thức cấp bách nhất trong lĩnh vực năng lượng mặt trời . Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Năng lượng thiên nhiên .
Các nhà nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế các PSC đảo ngược, trước đây đã cho thấy nhiều hứa hẹn về độ ổn định trong vận hành. Họ đã giới thiệu một "lớp đơn lớp tự lắp ráp phù hợp, độc đáo trên các chất nền có kết cấu", mô tả một lớp phân tử đặc biệt, đơn lẻ bao phủ một cách tự nhiên và đồng đều bề mặt không đều của chất nền có kết cấu.
Thiết kế mới giải quyết được vấn đề “tích tụ phân tử”, xảy ra khi các phân tử kết tụ lại với nhau thay vì dàn trải đều. Khi điều này xảy ra trên bề mặt kết cấu của pin mặt trời, nó có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của chúng.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã đưa một phân tử đặc biệt gọi là axit 3-mercaptopropionic (3-MPA) vào lớp đơn tự lắp ráp (SAM) của pin mặt trời, được hình thành bởi một lớp phân tử axit photphonic được thay thế bằng carbazole, chiết xuất có chọn lọc điện tích dương. chất mang ("lỗ") được tạo ra dưới ánh sáng trong màng perovskite.
Tuy nhiên, vai trò này bị tổn hại do sự tập hợp của các phân tử PAC. Việc bổ sung 3-MPA giúp tăng cường sự tiếp xúc giữa vật liệu perovskite và chất nền có kết cấu của pin mặt trời để cải thiện hiệu suất và độ ổn định, cho phép nó phân tách các cụm carbazole phân tử và đảm bảo sự phân bố đồng đều hơn của các phân tử trong lớp đơn tự lắp ráp. Với sự bổ sung này, các phân tử trên bề mặt pin mặt trời trải ra đồng đều hơn, tránh những khối có vấn đề đó và nâng cao tính ổn định và hiệu quả tổng thể của PSC.
Thiết kế mới tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng đồng thời giảm thiểu tổn thất năng lượng ở bề mặt tiếp xúc giữa các lớp, dẫn đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng được đo trong phòng thí nghiệm ở mức ấn tượng 25,3%. Về độ ổn định, PSC đảo ngược cho thấy khả năng phục hồi đáng chú ý. Thiết bị duy trì 95% hiệu suất cao nhất ngay cả sau khi phải chịu các điều kiện khắc nghiệt ở nhiệt độ 65°C và độ ẩm tương đối 50% trong hơn 1.000 giờ. Mức độ ổn định này, kết hợp với hiệu quả cao như vậy, là điều chưa từng có trong lĩnh vực PSC.
Thiết kế mang tính đột phá này là bước tiến quan trọng trong việc đưa PSC vào thị trường; giải quyết cả vấn đề về hiệu quả và độ ổn định, kết hợp với chi phí sản xuất thấp hơn so với pin mặt trời hiện tại, có thể dẫn đến việc áp dụng rộng rãi. Phương pháp mới cũng có thể vượt ra ngoài pin mặt trời, mang lại lợi ích cho các thiết bị quang điện tử khác yêu cầu quản lý ánh sáng hiệu quả, chẳng hạn như đèn LED và bộ tách sóng quang.
