HÀN QUỐC – Các nhà nghiên cứu từ đại học Hàn Quốc (Korea university) và đại học Surrey (university of Surrey) đã giới thiệu một kỹ thuật mới giúp nâng cao hiệu suất và độ bền của các cell pin năng lượng mặt trời mà không cần dùng thêm hóa chất hay lớp phủ bảo vệ.

Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Nature Energy, mô tả chi tiết phương pháp vận hành bằng cách cho hai lớp màng mỏng perovskite (*) tiếp xúc trực tiếp với nhau. Chính sự tiếp xúc này đã kích hoạt một phản ứng phân tử tại bề mặt, giúp tái cấu trúc tinh thể của lớp hấp thụ ánh sáng xuyên suốt toàn bộ độ dày của vật liệu. Kết quả tạo ra một loại vật liệu có cấu trúc trật tự hơn, bền bỉ hơn và chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng hiệu quả hơn.
(*) Perovskite: pin mặt trời perovskite là một loại thiết bị quang điện màng mỏng thế hệ mới, sử dụng vật liệu có cấu trúc tinh thể perovskite (thường là hợp chất lai hữu cơ-vô cơ) làm lớp hoạt tính hấp thụ ánh sáng.

Nhờ vào kỹ thuật này, các cell pin mặt trời đã đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng (power conversion efficiency) (*) được chứng nhận là 25,61%, kết quả này đã được xác minh độc lập bởi viện nghiên cứu năng lượng mặt trời Singapore (Solar energy research institute of Singapore).
(*) Energy conversion efficiency: là khả năng biến đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng được tính bằng tỉ lệ giữa năng lượng điện đầu ra và năng lượng ánh sáng mặt trời chiếu vào bề mặt pin. Ví dụ, nếu ánh sáng mặt trời chiếu vào tấm pin có công suất là 1.000W, mà tấm pin đó tạo ra được 256W điện, thì hiệu suất của nó là 25,6%.

Pin năng lượng mặt trời perovskite từ lâu đã thu hút sự quan tâm lớn của giới khoa học vì chúng có chi phí thấp và quy trình sản xuất đơn giản hơn so với các tấm pin silicon truyền thống. Tuy nhiên, tiềm năng thương mại hóa của chúng vẫn bị hạn chế bởi những lo ngại về khả năng chịu đựng trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm thực tế của môi trường.

Trong các bài kiểm tra lão hóa cấp tốc, vật liệu được xử lý bằng phương pháp mới này cần lượng nhiệt năng cao gấp đôi để bắt đầu quá trình phân hủy so với các vật liệu được báo cáo trong các nghiên cứu khác. Đây là một cải tiến đầy ý nghĩa trong một lĩnh vực mà độ bền dài hạn vẫn luôn là vấn đề chính.

Kỹ thuật mới hoạt động dựa trên cơ chế mà các nhà nghiên cứu gọi là tương tác cation kích hoạt bằng tiếp xúc (CCI – contact-triggered cationic interaction). Khi hai màng perovskite tiếp xúc vật lý, lực phân tử tại bề mặt khiến các hạt mang điện tích dương, gọi là cation, bên trong lớp hấp thụ ánh sáng tự sắp xếp thành một cấu trúc đồng nhất và thẳng hàng hơn. Điều này giúp giảm các khiếm khuyết cấu trúc vốn là nguyên nhân khiến năng lượng bị thất thoát dưới dạng nhiệt thay vì chuyển thành điện. Thời gian tồn tại của các hạt mang điện trước khi bị tái hợp (recombine) (*), một chỉ số quan trọng đánh giá chất lượng pin mặt trời đã tăng từ 4,48 lên 5,89 micro giây ở vật liệu được xử lý so với các mẫu đối chứng thông thường.
(*) Recombine: là quá trình electron và lỗ trống tái kết hợp với nhau sau khi được tạo ra bởi ánh sáng và năng lượng kích thích. Khi quá trình này xảy ra, các hạt tải điện sẽ mất khả năng di chuyển tự do và không còn đóng góp vào dòng điện.

Để xác nhận điều này, đội ngũ nghiên cứu tại đại học Surrey đã sử dụng kính hiển vi lực cảm ứng quang học (photo-induced force microscopy). Đây là một kỹ thuật bản đồ hóa các dấu hiệu hóa học ở cấp độ nano bằng cách kết hợp độ phân giải cao của kính hiển vi lực nguyên tử với quang phổ hồng ngoại, giúp vượt qua giới hạn nhiễu xạ của ánh sáng. Nhờ đó, các nhà nghiên cứu có thể kiểm chứng bằng hình ảnh sự hình thành chính xác và đồng nhất của các liên kết hóa học được kích hoạt bởi quy trình CCI, xác nhận rằng sự sắp xếp phân tử diễn ra đúng như dự đoán tại bề mặt tiếp xúc màng phim.

Giáo sư Ravi Silva, Giám đốc Trung tâm Điện tử Nano tại Đại học Surrey, nói rằng: “Nghiên cứu này chứng minh rằng có thể cải thiện cả hiệu suất lẫn độ bền của cell pin mặt trời perovskite mà không cần thêm bất kỳ hóa chất hay bước xử lý bổ sung khác, chỉ đơn giản bằng cách kiểm soát cách hai màng phim tương tác tại điểm tiếp xúc. Đó là một kết quả tinh tế, và các số liệu về hiệu suất đã chứng minh cho điều đó. Những bước tiến này rất quan trọng vì độ ổn định trong điều kiện thực tế là vấn đề chính mà lĩnh vực này phải giải quyết trước khi perovskite có thể được triển khai ở quy mô lớn”.

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

 

Nguồn: Electronics Online