Tiến bộ của các tế bào quang điện mới nổi đa dạng với bộ đệm dichalcogenide kim loại chuyển tiếp 2D
của Latha Marasamy
Biểu đồ biểu diễn cấu trúc của các tế bào quang điện mới nổi đa dạng với TiS2 làm bộ đệm thay thế. Nguồn: Advanced Theory and Simulations (2025) DOI: 10.1002/adts.202400769
Các tế bào quang điện màng mỏng bao gồm CdTe, Cu(In,Ga)Se2 đã trở thành công nghệ quang điện ít tốn kém hơn so với các tế bào quang điện wafer Si tinh thể. Tuy nhiên, hiệu suất của chúng kém hơn so với các thế hệ trước về mặt thương mại hóa. Hơn nữa, chúng bao gồm các nguyên tố khan hiếm và độc hại.
Do đó, các chất bán dẫn đa dạng bao gồm Cu2MSnS4 (M = Co, Mn, Fe, Mg) thuộc nhóm I2-II-IV-VI4 đang thu hút sự chú ý do bản chất không độc hại, sự phong phú của Trái đất và các đặc tính quang điện đáng chú ý. Tuy nhiên, việc căn chỉnh dải không phù hợp với đệm cadmium sulfide (CdS) độc hại hạn chế hiệu suất chuyển đổi năng lượng thử nghiệm (PCE) của chúng xuống dưới 5%. Khám phá các đệm thay thế là con đường tốt nhất để cải thiện PCE của chúng.
Titan sulfide (TiS2) là chất bán dẫn dichalcogenide kim loại chuyển tiếp 2D có đặc tính đệm tuyệt vời. Nó bao gồm các liên kết treo tự do và lực van der Waals yếu giúp cung cấp sự căn chỉnh dải thích hợp với chất hấp thụ.
Trong công trình của chúng tôi được công bố trên tạp chí Advanced Theory and Simulations, chúng tôi đề xuất, lần đầu tiên, TiS2 làm đệm thay thế cho nhiều loại pin mặt trời Cu2MSnS4 mới nổi (M = Co, Mn, Fe, Mg) bằng phần mềm mô phỏng SCAPS-1D. Tiềm năng và tính phù hợp của nó đã được chứng minh bằng cách so sánh các đặc tính của nó với CdS truyền thống.
Các loại pin mặt trời mới nổi đa dạng với đệm TiS2 cho thấy hiệu suất vượt trội hơn CdS. Chúng đã vượt trội hơn hẳn các tế bào quang điện mới nổi dựa trên CdS lần lượt là 1,36, 1,76, 1,23 và 1,15 lần, đạt được PCE tuyệt vời lần lượt là 27,02%, 27,04%, 30,04% và 30,26% đối với Cu2MSnS4 (M = Co, Mn, Fe, Mg).
Để đạt được những kết quả đáng chú ý này, chúng tôi đã tinh chỉnh các thông số vật liệu đệm và hấp thụ như nồng độ chất mang, độ dày và mật độ khuyết tật. Những kết quả đầy hứa hẹn này đã thiết lập một chuẩn mực trong lĩnh vực quang điện.
Một khía cạnh quan trọng khác là chúng tôi đã tiết lộ các đặc điểm nội tại của đệm TiS2 để so sánh với CdS. Kết quả đáng chú ý là đệm TiS2 đã làm giảm rào cản electron tại các giao diện TiS2/Cu2MSnS4 (M = Co, Mn, Fe, Mg).
Ngoài ra, điện dung tích lũy nhỏ hơn, tổn thất điện áp mạch hở thấp hơn đáng kể, điện thế tích hợp cao hơn và điện trở tái hợp được cải thiện đã được quan sát thấy trong các tế bào quang điện TiS2 so với CdS. Những kết quả nổi bật này cho thấy tiềm năng to lớn của TiS2 trong việc nâng cao hiệu suất của nhiều loại tế bào quang điện mới nổi.
Tóm lại, công trình của chúng tôi nêu bật một cách sâu rộng các đặc tính và ý nghĩa đáng chú ý của TiS2 như một bộ đệm thay thế tuyệt vời cho nhiều loại tế bào quang điện mới nổi. Công trình cũng đưa ra các hướng dẫn toàn diện để chế tạo các tế bào quang điện Cu2MSnS4 (M = Co, Mn, Fe, Mg) có PCE cao. Chúng tôi tin tưởng mạnh mẽ rằng những kết quả này sẽ có lợi cho ngành công nghiệp quang điện đang phát triển mạnh mẽ.
Thông tin thêm: Kaviya Tracy Arockiadoss và cộng sự, Bộ đệm TiS2 thay thế không chứa CdS: Hướng tới các tế bào quang điện Cu2MSnS4 (M = Co, Mn, Fe, Mg) có hiệu suất cao, Lý thuyết và mô phỏng nâng cao (2024).DOI: 10.1002/adts.202400769
Tiến sĩ Latha Marasamy là Giáo sư nghiên cứu tại Khoa Hóa học tại UAQ, nơi bà lãnh đạo một nhóm sinh viên và nhà nghiên cứu quốc tế năng động. Sứ mệnh của bà là thúc đẩy năng lượng tái tạo, đặc biệt là trong quá trình phát triển pin mặt trời thế hệ thứ hai và thứ ba, bao gồm CdTe, CIGS, perovskite chalcogenide mới nổi, perovskite không chì và pin mặt trời lai. Bà đang nghiên cứu nhiều loại vật liệu như CdTe, CIGSe, CZTS, CdS, MOF, nitride cacbon graphit, perovskite chalcogenide, oxit kim loại, MXene, ferit, nitride kim loại plasmonic và boride cho các ứng dụng này. Ngoài ra, Tiến sĩ Marasamy đang nghiên cứu các đặc tính của vật liệu mới và ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất của pin mặt trời thông qua mô phỏng DFT và SCAPS-1D.
