Vật liệu perovskite với cấu trúc siêu mạng có thể vượt qua hiệu suất của pin mặt trời 'hoàn hảo'
Ảnh: CC0
Một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature hôm 10/8 cho thấy, một loại pin mặt trời perovskite được phát triển bởi các kỹ sư tại Đại học California San Diego đã đưa các nhà nghiên cứu tiến gần hơn đến việc phá vỡ mức trần về hiệu quả sử dụng pin mặt trời.
Pin mặt trời mới là vật liệu perovskite kích thước thấp không chứa chì có cấu trúc tinh thể siêu mạng — lần đầu tiên trong lĩnh vực này. Điều đặc biệt về vật liệu này là nó thể hiện động lực học hiệu quả trong không gian ba chiều và hướng thiết bị của nó có thể vuông góc với các điện cực. Các vật liệu trong lớp perovskite cụ thể này cho đến nay chỉ thể hiện động lực học như vậy trong hai chiều - một pin mặt trời định hướng vuông góc chưa bao giờ được báo cáo.
Nhờ cấu trúc cụ thể của nó, loại pin mặt trời siêu mạng mới này đạt hiệu suất 12,36%, đây là mức cao nhất được báo cáo đối với pin mặt trời perovskite chiều thấp không chứa chì (hiệu suất của người giữ kỷ lục trước đó là 8,82%). Pin mặt trời mới cũng có điện áp hở mạch bất thường là 0,967 V, cao hơn giới hạn lý thuyết là 0,802 V. Cả hai kết quả đều đã được chứng nhận độc lập.
Tác giả cao cấp của nghiên cứu Sheng Xu, một giáo sư về kỹ thuật nano tại UC San Diego. "Điều này một ngày nào đó có thể cho phép chúng tôi đạt được hiệu quả cao hơn với nhiều điện hơn từ các tấm pin mặt trời hiện có hoặc tạo ra cùng một lượng điện từ các tấm pin mặt trời nhỏ hơn với chi phí thấp hơn."
Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng điện áp mạch hở được cải thiện của vật liệu có thể là do một cơ chế vật lý mới mà họ gọi là giãn sóng mang nội bộ. Cấu trúc siêu mạng độc đáo của vật liệu cho phép các thành phần khác nhau của pin mặt trời tích hợp theo hướng thẳng đứng, tạo ra cấu trúc băng kép quy mô nguyên tử. Dưới ánh sáng, các điện tử bị kích thích có thể giãn ra từ một thành phần (vùng bandgap nhỏ hơn) sang thành phần khác (vùng bandgap lớn hơn) trước khi cân bằng để làm thay đổi mức fermi trong pin mặt trời siêu mạng. Điều này góp phần làm cho điện áp hở mạch cao hơn. Quá trình này được xác minh là có liên quan đến tiềm năng tích hợp trong pin mặt trời siêu mạng. Các nhà nghiên cứu cũng thừa nhận rằng có những cơ chế có thể xảy ra trong cấu trúc siêu mạng độc đáo có thể góp phần vào điện áp mạch hở cao bất thường của nó.
Để tạo ra pin mặt trời perovskite chiều thấp không chứa chì mới, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật epitaxy hóa học để chế tạo một mạng lưới tinh thể siêu mạng. Cấu trúc của mạng này độc đáo ở chỗ nó bao gồm các giếng lượng tử perovskite được sắp xếp theo chiều dọc và đan chéo nhau. Cấu trúc đan chéo này làm cho động lực học hạt tải điện của vật liệu - bao gồm tính linh động của điện tử, thời gian tồn tại và đường dẫn trong cả ba chiều - hiệu quả hơn so với việc chỉ có nhiều giếng lượng tử. Những kỹ thuật này có thể được sử dụng để tạo ra các siêu kết tụ perovskite của các chế phẩm khác nhau.
Yusheng Lei, tác giả chính của bài báo này, cho biết: “Siêu mạng perovskite này chứng tỏ hiệu suất vận chuyển tàu sân bay chưa từng có mà nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này đã mơ ước”. sinh viên trong phòng thí nghiệm của Xu tại UC San Diego và hiện là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Stanford.
Siêu mạng bao gồm sự phân tách pha được cấu trúc nano giữa các vùng Sn-I hợp kim và nguyên vẹn của Bi3 + trong các giếng lượng tử đa lượng được căn chỉnh theo chiều dọc. Thành phần này tạo ra các biến thể thành phần trong quy mô nguyên tử, do đó cho phép các chất mang nóng nhanh chóng vượt qua giao diện dị cấu trúc nhiều giếng lượng tử trước khi chúng giãn ra - một kỳ tích thường không thể đạt được, các nhà nghiên cứu giải thích. Ở đây, có thể do độ dài khuếch tán ngắn cần thiết để vượt qua mặt phân cách dị cấu trúc.
Xu cho biết: “Công trình này mở ra nhiều tiềm năng thú vị mới cho loại vật liệu perovskite chiều thấp không chứa chì. Trong tương lai, nhóm sẽ làm việc để tối ưu hóa và mở rộng quy trình chế tạo để tạo ra các tinh thể siêu mạng, hiện vẫn còn nhiều khó khăn và thử thách. Xu hy vọng sẽ thu hút các đối tác trong ngành sản xuất pin mặt trời để tiêu chuẩn hóa quy trình.
