CHLB ĐỨC – Pin năng lượng mặt trời perovskite (*) từ lâu được kỳ vọng là bước tiến đột phá tiếp theo trong lĩnh vực quang điện. Những thiết bị này sử dụng một loại vật liệu tinh thể đặc biệt, có khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng với hiệu suất cao. Tuy nhiên, sự nhạy cảm của chúng đối với các biến động về nhiệt độ đã làm chậm quá trình đưa công nghệ này vào ứng dụng thực tế trên các mái nhà. Các nhà nghiên cứu tại đại học kỹ thuật Munich (TUM – Technical university of Munich) và cơ quan nghiên cứu e-conversion (Cluster of excellence e-conversion) đã xác định được nguyên nhân khiến loại vật liệu này bị suy giảm hiệu suất, đồng thời tìm ra phương pháp để ổn định chúng.
(*) Pin năng lượng mặt trời perovskite: là một loại tế bào quang điện thế hệ mới, sử dụng vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc biệt (gọi là perovskite) để hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi thành điện năng.

Tác giả chính Tiến sĩ Kun Sun, cầm trên tay một cell quang điện perovskite

Pin năng lượng mặt trời perovskite nằm trong số những công nghệ tiềm năng nhất để giúp điện mặt trời trở nên rẻ hơn và hiệu quả hơn. Hợp tác cùng các đối tác từ viện công nghệ Karlsruhe (KIT – Karlsruhe institute of technology), trung tâm nghiên cứu DESY (Deutsches Elektronen-Synchroton) và viện công nghệ hoàng gia KTH (KTH royal institute of technology) tại thành phố Stockholm (Thụy Điển), nhóm nghiên cứu đã khám phá nguyên nhân gây ra sự xuống cấp của vật liệu do thay đổi nhiệt độ, từ đó phát triển chiến lược để ngăn chặn tình trạng này. Phương pháp của họ tập trung vào việc ổn định cấu trúc tinh thể mỏng manh bằng các “mỏ neo” phân tử được thiết kế đặc biệt.

Khả năng thích ứng của pin năng lượng mặt trời trong môi trường thực tế
Để đạt được các mục tiêu về khí hậu trong tương lai, pin năng lượng mặt trời phải có khả năng hoạt động bền bỉ trong hàng chục năm. Mặc dù vật liệu perovskite đã đạt được những kỷ lục về hiệu suất chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, chúng vẫn phải đối mặt với một vấn đề trong tự nhiên: sự biến đổi nhiệt độ cực đoan. Các chuyên gia gọi hiện tượng này là chu kỳ nhiệt (thermal cycling). Trong một ngày, một tấm pin năng lượng mặt trời có thể trải qua sự thay đổi nhiệt độ đột ngột từ lạnh giá ban đêm đến sức nóng gay gắt của ban ngày. Những điều kiện thực tế này, với quá trình làm nóng và làm nguội thường xuyên, có thể làm cho giai đoạn xuống cấp diễn ra sớm, khiến pin perovskite bị suy giảm hiệu suất tương đối (relative performance) (*).
(*) Relative performance: Thay vì nhìn vào con số tuyệt đối (như pin đang tạo ra bao nhiêu watt điện), “hiệu suất tương đối” so sánh khả năng hoạt động hiện tại của thiết bị với một cột mốc tiêu chuẩn (thường là trạng thái hoàn hảo ban đầu).

Giáo sư Peter Müller-Buschbaum, Trưởng bộ môn vật liệu chức năng tại trường khoa học tự nhiên thuộc đại học TUM, chia sẻ: “Nếu muốn đưa những cell quang điện (solar cell) (*) này vào sử dụng thực tế, cần đảm bảo chúng không chỉ hoạt động tốt trong phòng thí nghiệm mà còn chống chịu được áp lực từ sự thay đổi của các mùa”.
(*) Solar cell: Là thiết bị điện tử cơ bản nhất có khả năng chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện. Khi nhiều cell được kết nối với nhau, chúng tạo thành một module (tấm pin), và nhiều module kết hợp lại sẽ tạo thành một hệ thống giàn pin (array).

Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Müller-Buschbaum tập trung giải quyết thách thức này và đã xác định được các nguyên nhân ở cấp độ vi mô dẫn đến sự mất ổn định đó. Họ đã phát triển các chiến lược thiết kế mới nhằm giúp lớp trên cùng của pin mặt trời dạng tầng (tandem) (*) trở nên bền bỉ hơn, cho phép chúng chống chịu được các điều kiện thực tế. Pin mặt trời dạng tầng được cấu tạo từ các cell quang điện xếp chồng lên nhau (tối thiểu là hai lớp), nhờ đó tận dụng tốt hơn nguồn năng lượng từ ánh sáng mặt trời.
(*) Tandem: Thay vì chỉ sử dụng một lớp vật liệu duy nhất để hấp thụ ánh sáng, pin mặt trời tandem được cấu tạo từ hai hoặc nhiều lớp vật liệu khác nhau xếp chồng lên nhau. Lớp trên cùng sẽ hấp thụ các photon có năng lượng cao (ánh sáng xanh), trong khi các photon năng lượng thấp hơn (ánh sáng đỏ/ hồng ngoại) đi xuyên qua và lớp dưới hấp thụ.

Giải mã giai đoạn “burn-in”
Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications, tác giả chính Tiến sĩ Kun Sun từ bộ môn vật liệu chức năng tại đại học TUM, đã tiến hành khảo sát các cell quang điện hiệu suất cao có dải băng thông rộng (high-efficiency wide-bandgap), vốn là lớp cell phía trên trong cấu trúc pin mặt trời tandem. Thông qua các phép đo tia X độ phân giải cao tại trung tâm DESY, nhóm nghiên cứu đã quan sát được vật liệu này thay đổi cấu trúc theo thời gian thực dưới tác động của sự thay đổi nhiệt độ nhanh chóng; mạng tinh thể định kỳ giãn nở và co lại để phản ứng với những biến động nhiệt độ này.

Kết quả nghiên cứu đã hé lộ nguyên nhân: sự xuống cấp xảy ra mạnh mẽ nhất trong giai đoạn “hao mòn ban đầu” (burn-in), khiến các cell quang điện mất đến 60% hiệu suất tương đối. Tiến sĩ Sun chia sẻ: “Chúng tôi đã phát hiện ra rằng một sự thay đổi cấu trúc ở cấp độ vi mô chính là tác nhân dẫn đến sự sụt giảm này. Các ứng suất xuất hiện bên trong vật liệu khiến cấu trúc của nó thay đổi, làm tiêu hao năng lượng”. Phát hiện này đã cung cấp cho các kỹ sư một mục tiêu rõ ràng: nếu có thể loại bỏ giai đoạn hao mòn ban đầu này, họ sẽ mở ra tiềm năng cho sự ổn định lâu dài của thiết bị.

Giải pháp
Trong bài báo thứ hai được công bố trên tạp chí ACS Energy Letters, các nhà nghiên cứu đã trình bày phương pháp để ổn định loại vật liệu tinh thể nhạy cảm này. Họ đã sử dụng các phân tử hữu cơ đặc biệt đóng vai trò là các mảnh đệm (spacer), giúp giữ chặt cấu trúc lại với nhau, tương tự như một hệ thống giàn giáo ở cấp độ phân tử.

Bằng cách so sánh các loại mảnh đệm khác nhau, các nhà nghiên cứu đã tìm ra phương án tối ưu: trong khi các mảnh đệm thông thường dẫn đến sự phá vỡ cấu trúc, thì phân tử hữu cơ PDMA với kích thước lớn hơn đã hoạt động như một thiết bị neo giữ ưu việt. Kết quả thu được là một cell quang điện bền bỉ hơn, duy trì được sự ổn định ngay cả dưới áp lực cơ học từ quá trình làm nóng và làm nguội nhanh chóng.

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

 

Nguồn: Electronics Online