Vật liệu không độc hại được phát hiện là máy thu hoạch năng lượng mặt trời cực mạnh
bởi Tiến sĩ Robert Hoye và Kayleigh Brewer, Đại học Hoàng gia London
Cấu trúc và tính chất quang học của màng NaBiS2 NC. Ảnh: Nature Communications. DOI: 10.1038 / s41467-022-32669-3
Pin mặt trời rất quan trọng đối với quá trình chuyển đổi năng lượng xanh. Chúng có thể được sử dụng không chỉ trên các mái nhà và trang trại năng lượng mặt trời mà còn để cung cấp năng lượng cho các phương tiện tự hành, chẳng hạn như máy bay và vệ tinh. Tuy nhiên, pin mặt trời quang điện hiện rất nặng và cồng kềnh, khiến chúng khó vận chuyển đến các địa điểm xa ngoài lưới điện, nơi chúng rất cần thiết.
Trong sự hợp tác dẫn đầu bởi Đại học Hoàng gia London, cùng với các nhà nghiên cứu từ Cambridge, UCL, Oxford, Helmholtz-Zentrum Berlin ở Đức và những người khác, các nhà nghiên cứu đã sản xuất vật liệu có thể hấp thụ mức độ ánh sáng mặt trời tương đương với pin mặt trời silicon thông thường, nhưng thấp hơn 10.000 lần độ dày.
Vật liệu này là natri bismuth sulfua (NaBiS2), được nuôi cấy dưới dạng tinh thể nano và lắng đọng từ dung dịch để tạo ra các màng có độ dày 30 nanomet. NaBiS2 bao gồm các nguyên tố không độc hại có đủ nhiều trong vỏ trái đất để sử dụng cho mục đích thương mại. Ví dụ, các hợp chất dựa trên bismuth được sử dụng như một chất thay thế chì không độc hại trong thuốc hàn, hoặc trong thuốc dạ dày không kê đơn.
Tiến sĩ Yi-Teng Huang sinh viên tại Đại học Cambridge và là đồng tác giả đầu tiên, nhận xét rằng họ "đã tìm ra một loại vật liệu hấp thụ ánh sáng mạnh hơn các công nghệ pin mặt trời thông thường và có thể được in từ mực. Công nghệ này có tiềm năng chế tạo pin mặt trời nhẹ có thể dễ dàng vận chuyển hoặc sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ. "
Lợi ích của rối loạn và natri
Các yếu tố quan trọng đối với sự hấp thụ ánh sáng mạnh là ảnh hưởng của rối loạn và vai trò của natri.
Các ion natri và bitmut trong NaBiS2 có kích thước tương tự nhau, có nghĩa là thay vì chiếm các vị trí tinh thể khác nhau (có thứ tự), chúng chiếm cùng một vị trí (không có trật tự). Kết quả là, cấu trúc tinh thể thay đổi thành stonealt, giống như muối ăn. Tuy nhiên, natri và bitmut không được phân bố đồng đều trong vật liệu, và sự rối loạn đồng nhất (trong) sự rối loạn này giữa các ion này có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ hấp thụ.
Các hiệu ứng tương tự đã được tìm thấy trong nghiên cứu gần đây trên AgBiS2, nhưng NaBiS2 có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh hơn và sắc nét hơn. Điều này là do natri, không giống như bạc, không đóng góp vào các trạng thái điện tử xung quanh bandgap của chất bán dẫn. Kết quả là, có một nồng độ cao hơn các trạng thái điện tử có sẵn để hấp thụ ánh sáng.
Seán Kavanagh, đồng tác giả đầu tiên và Ph.D. sinh viên trong các nhóm nghiên cứu của Giáo sư Aron Walsh tại Khoa Vật liệu tại Imperial, và Giáo sư David Scanlon tại UCL, nhận xét rằng "rối loạn từ lâu đã được coi là kẻ thù của pin mặt trời. Được biết đến là tác nhân tiêu diệt hiệu quả trong các vật liệu năng lượng mặt trời thông thường như silicon ( Si), cadmium telluride (CdTe) và gallium arsenide (GaAs), các nhà nghiên cứu thường tập trung vào việc tránh nó bằng mọi giá. Công trình này, cùng với các nghiên cứu gần đây khác của chúng tôi và các nhóm khác, cho thấy điều này không nhất thiết phải như vậy. "
"Thay vì nếu chúng ta có thể hiểu và kiểm soát được chứng rối loạn này, nó có thể giới thiệu một công cụ mạnh mẽ để điều chỉnh các đặc tính của vật liệu và mang lại hiệu suất phá kỷ lục trong một loạt các ứng dụng, không chỉ pin mặt trời mà còn cả đèn LED và nhiệt điện. Ví dụ, đó là một điều thú vị. triển vọng cho nghiên cứu vật liệu. "
Phóng to trong một phần nghìn tỷ giây
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng sự rối loạn có ảnh hưởng đáng kể và bất thường đến việc vận chuyển các điện tích được tạo quang trong vật liệu. Điều này đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng các kỹ thuật quang phổ thăm dò các quá trình xảy ra xuống đến một phần nghìn tỷ giây (picosecond), cũng như mô hình tính toán.
Những nghiên cứu này phát hiện ra rằng sự phân bố không đồng nhất của các ion natri và bitmut dẫn đến hình thành các trạng thái điện tử cục bộ và nhanh chóng bắt giữ các điện tích. Các điện tích này tồn tại ở những trạng thái này trong hàng chục micro giây, lâu hơn ít nhất 100 lần so với các chất bán dẫn mới khác. Tuy nhiên, các điện tích bị giữ lại trong các trạng thái này và chỉ có thể di chuyển bằng cách nhảy giữa các trạng thái, điều này cuối cùng hạn chế khả năng di chuyển và được trích xuất dưới dạng điện của chúng.
Một cách bất thường, các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng các khuyết tật nguyên tử đóng một vai trò không đáng kể trong NaBiS2, bởi vì sự vận chuyển điện tích bị chi phối bởi tác động của các trạng thái cục bộ này. Do đó, những kết quả này chứng minh tầm quan trọng của việc kiểm soát mức độ rối loạn và hiểu được ảnh hưởng đến trạng thái điện tử trong vật liệu.
Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy NaBiS2 ổn định trong không khí trong suốt thời gian thử nghiệm 11 tháng của họ mà không cần bất kỳ bao gói nào, điều này hoàn toàn trái ngược với các vật liệu quang điện mới khác, chẳng hạn như perovskite chì-halogen. Điều này cho thấy độ bền lâu dài của vật liệu trong các thiết bị, đây là yêu cầu quan trọng đối với pin mặt trời thương mại.
Nhiều cơ hội mới
Các nhà nghiên cứu dự đoán rằng những tìm kiếm này sẽ khơi dậy mối quan tâm nhiều hơn đến NaBiS2 và các vật liệu tương tự, đặc biệt là trong việc tìm hiểu vai trò của rối loạn cation, và tương tác giữa các điện tích và mạng tinh thể.
Tiến sĩ Robert Hoye, Giảng viên cao cấp tại Khoa Vật liệu tại Đại học Hoàng gia London và là tác giả tương ứng của bài báo, nhận xét rằng "đây là những kết quả rất thú vị, mở ra con đường mới để tối ưu hóa các đặc tính của máy thu hoạch năng lượng mặt trời. NaBiS2 mang lại cho một gia đình hấp dẫn vật liệu và chúng tôi hy vọng rằng những hiểu biết mới được tạo ra trong công việc của chúng tôi sẽ hướng dẫn việc khám phá và lựa chọn một thế hệ mới của các hợp chất quang hoạt hiệu quả và tiết kiệm chi phí. "
