Công nghệ mới chế tạo pin mặt trời siêu mỏng

Pin mặt trời lai ghép hỗn hợp perovskite

Các nhà khoa học ngày nay đặt nhiều kỳ vọng vào việc phát triển các modun pin mặt trời có chi phí thấp. Hiện nay, silicon tinh thể (Si) là vật liệu quan trọng nhất, chiếm tỷ lệ hơn 90% vật liệu trong các  tấm pin mặt trời khác nhau.

Nhưng giảm chi phí các tấm pin mặt trời vật liệu Si hiện đang trở nên khó khăn hơn do hiệu suất chuyển đổi năng lượng dần đạt đến giới hạn lý thuyết. Các nhà khoa học cho rằng, để giảm chi phí đáng kể trong quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng tái tạo, vẩn đề bức thiết là nghiên cứu giải pháp tìm kiếm vật liệu mới cho pin mặt trời.

Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đạt được một bước đột phá lớn trong nghiên cứu phát triển pin mặt trời - hiện thực hóa khả năng chuyển đổi hiệu quả cao trong pin mặt trời lai ghép hỗn hợp perovskite.

Vật liệu perovskite có cấu trúc tinh thể hình khối đối xứng đơn giản, tương tự cấu trúc của vật liệu gốm canxi titanat, vật liệu perovskite lai bao gồm các cation (I-on dương) hữu cơ và cấu trúc lồng hình khối vô cơ.

Một tấm pin điện mặt trời màng mỏng perovskite lai. Ảnh Advanced Science News

Cấu trúc pin điện mặt trời perovskite màng mỏng. Ảnh Advanced Science News

Một điều đáng chú ý là, các nhà khoa học cần nửa thế kỷ để pin mặt trời Si đạt được hiệu suất chuyển đổi 26,7%, nhưng cần 10 năm đã phát triển pin mặt trời lai ghép perovskite với hiệu quả tương tự.

Nhưng vật liệu lai perovskites về bản chất không ổn định, có sự biến đổi pha nhanh dưới tác động của ánh sáng và nhiệt độ (~ 100 ° C) khi tiếp xúc với không khí. Nếu ứng dụng vật liệu trên diện rộng, các nguyên tử chì độc hại trong vật liệu perovskites lai không có lợi cho sức khỏe cộng đồng.

Vật liệu thay thế

Trong nỗ lực tìm kiếm vật chất thay thế trong perovskite, nhóm các nhà khoa học ở Đại học Gifu cùng GS Hidenori Hiramatsu và Hideo Hosono thuộc Viện Công nghệ Tokyo đồng tiến hành những nghiên cứu mới về vật liệu chalcogenide (nhóm oxy) perovskite.

Chalcogenide là nhóm nguyên tố đại diện cho các nguyên tử nhóm VI, như lưu huỳnh, selen, telua, poloni. Công thức hóa học của chalcogenide perovskites được biểu thị đơn giản là ABS3 (A chỉ ra kim loại kiềm thổ và B là kim loại chuyển tiếp sớm).

Các nhà khoa học đã chế tạo hợp kim peralit chalcogenide, có chứa BaZrTiS3, cho phép điều chỉnh dải băng thế năng tĩnh điện đến giá trị phù hợp (~ 1.6 eV).

Các hệ số hấp thụ ánh sáng của pin perovskites chalcogenide với các nguyên tố phi kim khác nhau. Ảnh Advanced Science News

Vật liệu mới này cho thấy tiềm năng lớn ứng dụng cho sản xuất năng lượng tái tạo, đạt tới hiệu suất chuyển đổi tối đa lý thuyết rất ấn tượng là 38% trong cấu trúc pin mặt trời sử dụng vật liệu perovskite / Si song song.

Trước khi chế tạo, chúng tôi cũng đã báo cáo rằng tất cả các peralit chalcogenide, như BaZrS3, SrZrS3, BaHfS3 và SrHfS3, cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng cực mạnh với cường độ hấp thụ ánh sáng (hệ số hấp thụ số sóng) vượt quá 105 cm-1, cao hơn nhiều so với tất cả vật liệu pin mặt trời hiện đang sử dụng.

Đặc tính hấp thụ ánh sáng đầy ấn tượng cho phép chế tạo các pin mặt trời siêu mỏng, dễ dàng thu thập quang ảnh (các electron và lỗ hổng nguyên tử), tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng.

Những tính toán lý thuyết chứng minh được, sự hấp thụ ánh sáng khá mạnh trong các perovskite chalcogenide có nguyên nhân từ các quỹ đạo electron độc đáo của lưu huỳnh, hình thành khi tham gia vào cấu trúc perovskite.

Những vật liệu perovskite chalcogenide chỉ có những nguyên tố không độc hại, bền vững, hoạt động ổn định và tính hấp thụ quang học vượt trội. Những vật liệu do nhóm các nhà khoa học phát triển sẽ tác động đáng kể đến những nghiên cứu thiết kế chế tạo pin mặt trời trong tương lai.

Do các thiết bị năng lượng mặt trời chalcogenide-perovskite có rất nhiều hứa hẹn trong tương lai về việc giảm thiểu chi phí và mở rộng ứng dụng, vấn đề then chốt hiện này là phát triển một công nghệ chế tạo các tấm phim màng mỏng. Bằng kỹ thuật chế tạo mới này, có thể sản xuất hàng loạt tấm pin mặt trời màng mỏng, có hiệu suất chuyển hóa năng lượng tái tạo cao và có thể dán trên bất cứ mặt phẳng nào tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.