Thiết kế perovskite nâng cấp đưa pin mặt trời vào con đường ổn định
Tác giả: Syl Kacapyr, Đại học Cornell
Tín dụng: Joule (2025). DOI: 10.1016/j.joule.2025.101954
Trong khoa học năng lượng mặt trời, một chút hài hòa về mặt cấu trúc sẽ tạo nên bước tiến dài. Bằng cách tìm ra nguyên tử tương đương với một cái bắt tay hoàn hảo giữa hai loại perovskite—một loại vật liệu tinh thể được đánh giá cao vì khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện—các nhà nghiên cứu tại Cornell đã chế tạo ra pin mặt trời không chỉ có hiệu suất cao mà còn cực kỳ bền.
Perovskite ba chiều (3D) bao gồm các mạng lưới nguyên tử lặp lại của "lồng" halide kim loại được kết nối ở các góc và chứa đầy các phân tử nhỏ tích điện dương được gọi là cation.
Những vật liệu này đã cho thấy triển vọng đáng kể trong việc tạo ra các pin mặt trời nhẹ, giá thành thấp và có hiệu suất vượt trội hơn so với silicon truyền thống. Nhưng bất chấp tiềm năng của chúng, hầu hết các perovskite 3D đều dễ bị tổn thương do nhiệt, độ ẩm và chính ánh sáng mặt trời mà chúng được thiết kế để thu giữ do cấu trúc tinh thể ion giống muối của chúng.
Nghiên cứu mới nêu chi tiết về một loại perovskite hai chiều (2D) đầu tiên do các nhà nghiên cứu tại Cornell thiết kế, có thể được xếp lớp trên perovskite 3D để hoạt động như một lớp phủ chắc chắn, chống chịu được thời tiết. Các kết quả được nêu chi tiết trong bài báo "Các lớp kép dị pha 2D/3D ổn định pha thông qua việc ghép lưới để tạo ra các tế bào quang điện đảo ngược hiệu quả và ổn định", được xuất bản vào ngày 9 tháng 5 trên tạp chí Joule.
Các nhà nghiên cứu khác đã thử nghiệm lớp phủ perovskite 2D bảo vệ này bằng cách sử dụng methylammonium (MA) làm cation lồng. Tuy nhiên, MA không ổn định đến mức nó bắt đầu bốc hơi khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.
"Với MA, bạn có hiệu suất và khả năng vận chuyển điện tích tốt, nhưng pin mặt trời sẽ nhanh chóng bị phân hủy sau vài trăm giờ hoạt động liên tục", tác giả chính Shripathi Ramakrishnan, ứng viên tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của tác giả cao cấp Qiuming Yu, giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử tại Cornell Engineering, cho biết.
Người ta đã cố gắng sử dụng formamidinium (FA)—một cation lồng ổn định hơn—trong lớp bảo vệ, nhưng quá nhiều ứng suất trong cấu trúc tinh thể của vật liệu do kích thước lớn hơn của FA gây ra sẽ làm mất ổn định và ngăn cản sự hình thành các mạng 2D ổn định.
Bước đột phá mới đến từ sự kết hợp mạng—ý tưởng cho rằng nếu mạng perovskite 2D có kích thước vừa phải, nó sẽ "ăn khớp" với perovskite 3D. Bằng cách lựa chọn các cation hữu cơ đặc biệt, được gọi là phối tử, tự nhiên liên kết với cả cation lồng FA và cấu trúc tinh thể xung quanh, các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra perovskite 2D với độ dày lớp và cấu hình cân bằng giữa độ dẫn điện và độ ổn định.
"Ý tưởng cơ bản là một phối tử trong perovskite 2D cố gắng thu nhỏ mạng lưới, trong khi cation lồng FA hoạt động để làm cho nó lớn hơn và bạn có hai lực đối lập này đang hoạt động", Ramakrishnan cho biết. "Chúng tôi đã chọn một phối tử không cố gắng nén lồng quá nhiều, cho phép nó giãn nở một chút và tạo không gian cho cation FA lớn hơn có thể vừa khít bên trong".
Nhóm đã tổng hợp thành công một perovskite 2D mới bằng cách sử dụng FA làm cation lồng và áp dụng nó như một lớp phủ bảo vệ trên perovskite 3D. Các kỹ thuật đặc tính - bao gồm nhiễu xạ tia X synchrotron và ánh xạ phát quang cộng hưởng - đã tiết lộ rằng lớp dựa trên FA 2D mới có độ ổn định đặc biệt dưới ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm kết hợp, vượt trội hơn so với các lớp dựa trên MA.
Sự kết hợp 2D trên 3D không chỉ chống lại sự phân hủy dưới ánh sáng mặt trời và nhiệt độ; nó còn cải thiện hiệu suất điện bằng cách cho phép dòng điện tích chảy mượt mà hơn giữa các lớp 3D và 2D. Các tế bào quang điện thu được đạt hiệu suất chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện là 25,3% và chỉ giảm hiệu suất 5% trong gần 50 ngày thử nghiệm chuyên sâu dưới ánh sáng và nhiệt kết hợp, khiến chúng trở thành tế bào quang điện perovskite có độ bền đặc biệt.
Mặc dù perovskite đã thu hút được sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học trong thập kỷ qua, nhưng tính không ổn định của chúng đã kìm hãm quá trình thương mại hóa việc sử dụng chúng trong tế bào quang điện.
"Silicon đã có khoảng 50 năm để đạt được những gì chúng ta đang có với năng lượng mặt trời. Perovskite thì chưa có 50 năm, nhưng chúng ta có thể đẩy nhanh tiến trình đó bằng cách hiểu nó ở cấp độ phân tử và áp dụng những gì chúng ta học được", Yu cho biết.
Ramakrishnan cho biết một kỳ thực tập, được hỗ trợ bởi chương trình INTERN của Quỹ Khoa học Quốc gia tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia ở Colorado, đã giúp anh có cái nhìn sâu sắc hơn về bối cảnh thương mại hóa, nơi các vật liệu được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm được tiếp xúc với điều kiện ngoài trời thực tế và được so sánh trực tiếp với các tấm pin mặt trời công nghiệp.
Ramakrishnan cho biết "Điều này thực sự truyền cảm hứng cho tôi - không chỉ về mặt khoa học mà còn về mặt công nghệ".
Thông tin thêm: Shripathi Ramakrishnan et al, Các lớp dị hợp tử 2D/3D ổn định pha thông qua khớp nối mạng cho các tế bào quang điện đảo ngược hiệu quả và ổn định, Joule (2025). DOI: 10.1016/j.joule.2025.101954
Thông tin tạp chí: Joule
