HỒNG KÔNG – Các nhà nghiên cứu từ đại học khoa học và công nghệ Hồng Kông (HKUST – Hong Kong university of science and technology) đã phát triển một lớp phủ bền vững giúp nâng cao độ bền của pin năng lượng mặt trời perovskite (*). Trong các thử nghiệm mô phỏng ánh sáng mặt trời giữa trưa ở nhiệt độ 85°C, các tế bào quang điện này được ghi nhận vẫn duy trì hơn 95% hiệu suất ban đầu sau hơn 1.100 giờ hoạt động liên tục.
(*) Pin năng lượng mặt trời perovskite: là một loại tế bào quang điện, sử dụng vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc biệt (gọi là cấu trúc perovskite) để hấp thụ ánh sáng và chuyển hóa thành điện năng.

Tiến sĩ Chang Xiao-Ming (giữa) cầm tấm pin mặt trời perovskite cùng Giáo sư Lin Yen-Hung (phải) và Tiến sĩ Fion Yeung (trái)

Trợ lý Giáo sư Lin Yen-Hung, thuộc khoa kỹ thuật điện tử và máy tính tại đại học HKUST, chia sẻ: “Theo hiểu biết của nhóm nghiên cứu, đây là mức hiệu suất ổn định được chứng nhận cao nhất từng được thông báo trong một công bố khoa học uy tín dành cho pin mặt trời perovskite cấu trúc ngược (trái với cấu trúc thông thường) với diện tích hoạt động gần 1 cm2”.

Kết quả nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Science, đã chứng minh khả năng ứng dụng thực tế của pin perovskite ở môi trường ngoài trời, mở đường cho công nghệ năng lượng mặt trời hiệu suất cao và bền bỉ hơn.

Mặc dù pin mặt trời perovskite được đánh giá cao nhờ hiệu suất tốt và chi phí sản xuất thấp, nhưng độ bền hạn chế đã trở thành rào cản cho việc ứng dụng rộng rãi. Một chiến lược phổ biến để giải quyết vấn đề này là phủ lên các lớp hấp thụ perovskite ba chiều (3D) một lớp perovskite cấu trúc low-dimensional (LD) (*) mỏng nhằm giảm các khiếm khuyết trên bề mặt và tăng điện áp. Tuy nhiên, các lớp LD truyền thống, thường bao gồm các muối amoni hóa trị một, có liên kết yếu với mạng tinh thể perovskite và dễ bị phân hủy dưới tác động của nhiệt độ và ánh sáng, dẫn đến sự suy giảm hiệu suất một cách nhanh chóng.
(*) Low-dimensional: trong khoa học vật liệu dùng để mô tả các cấu trúc có số chiều tự do thấp hơn so với vật liệu khối (3D). Tức là electron, photon hoặc exciton không thể chuyển động tự do theo ba chiều, mà bị giới hạn.

Để giải quyết vấn đề này, Tiến sĩ Chang Xiao-Ming, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại khoa kỹ thuật điện tử và máy tính thuộc đại học HKUST, đã phát triển một phương pháp mới sử dụng các phối tử amidinium đa trị (multivalent amidinium ligands) (1). Các phối tử này bám chặt vào bề mặt perovskite tại nhiều điểm thông qua hai vị trí nitơ trong nhóm đầu, hoạt động tương tự như một lớp “velcro phân tử” (molecular velcro) (2). Cơ chế ” bám đa điểm” này đảm bảo lớp LD duy trì được sự ổn định trong các điều kiện vận hành.
(*) Phối tử amidinium đa trị: là những “siêu móc cài” ở cấp độ phân tử, giúp cố định lớp bảo vệ và ngăn chặn sự xuống cấp của pin mặt trời, giúp nó hoạt động bền bỉ hơn 1.100 giờ trong điều kiện khắc nghiệt.

Tiến sĩ Chang Xiao-Ming chia sẻ: “Các phân tử ammonium-halide truyền thống thường khuếch tán vào cấu trúc khối của perovskite ở nhiệt độ cao, gây ra sự phân hủy hoặc phản ứng với ion hữu cơ formamidinium. Điều này làm suy yếu lớp bảo vệ LD và đẩy nhanh quá trình xuống cấp. Ngược lại, các phối tử amidinium đa trị có cấu trúc phân tử phẳng và sự phân bố điện tích ổn định nhờ cộng hưởng, giúp hình thành các liên kết hydro mạnh hơn với các ion halide và có khả năng chống lại sự phân hủy”.
(2) Molecular velcro: là một thuật ngữ được các nhà khoa học sử dụng để mô tả một cơ chế bám dính siêu mạnh ở cấp độ nguyên tử giữa các lớp vật liệu trong pin mặt trời.

Hình minh họa cấu trúc perovskite 3D/LD

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật hình ảnh siêu phổ vận hành (operando hyperspectral imaging) để lập bản đồ từng pixel trong các điều kiện hở mạch, điểm công suất cực đại và ngắn mạch. Trong thử nghiệm lão hóa cấp tốc, các thiết bị sử dụng cơ chế “velcro phân tử” cho thấy các mẫu và phổ quang năng (photoluminescence) (*) gần như không thay đổi, chứng minh cho một giao diện ổn định và lớp perovskite còn nguyên vẹn.
(*) Phổ quang năng: là một hiện tượng mà vật liệu hấp thụ các photon (ánh sáng), sau đó tái phát xạ các photon khác ra môi trường xung quanh.

Để đánh giá độ bền của các thiết bị này, nhóm nghiên cứu đã tuân thủ quy trình của hội nghị thượng đỉnh quốc tế về độ ổn định quang điện hữu cơ (ISOS – International summit on organic photovoltaic stability), một tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi để so sánh tuổi thọ của pin năng lượng mặt trời perovskite.

Để xem các tin bài khác về “Pin”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online