Silicon là vật liệu chủ đạo trong công nghệ năng lượng mặt trời, nhưng không phải là vật liệu tốt nhất để sản xuất pin mặt trời mỏng, nhẹ cần thiết cho vệ tinh và máy bay không người lái.
Các vật liệu bán dẫn mỏng cấp nguyên tử như vonfram diselenide và molypden disulfide, được xem xét ứng dụng cho các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo, cho phép tạo ra những tế bào năng lượng mặt trời siêu mỏng chi phí thấp và rất linh hoạt.
Theo Koosha Nassiri Nazif, KS điện tại Đại học Stanford, chủ trì nghiên cứu cùng đồng nghiệp, KS Alwin Daus, các tế bào năng lượng mặt trời linh hoạt có hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành điện là 5,1%, mức cao nhất đối với các tế bào linh hoạt loại này.
Công suất cụ thể của tế bào pin năng lượng mặt trời siêu mỏng là 4,4 W/g, có thể so sánh với những tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng như các tế bào chế tạo bằng cadmium telluride, đồng indium gallium selenide , silicon vô định hình và chất bán dẫn III-V . Với kỹ thuật cao hơn để giảm độ dày lớp nền và tăng hiệu suất, công nghệ có tiềm năng đạt tới 46 W/g, hơn hẳn những công nghệ quang điện khác.
Vật liệu vonfram diselenide và molypden disulfide, thuộc nhóm vật liệu được gọi là dichalcogenides kim loại chuyển tiếp (TMD) có những ưu điểm hơn các vật liệu khác. Những vật liệu này nhẹ hơn các tế bào pin điện mặt trời CdTe hoặc CIGS màng mỏng, ổn định và thân thiện môi trường hơn perovskites và vật liệu quang điện hữu cơ.
Nguyên mẫu pin điện mặt trời vật liệu bán dẫn dichalcogenides kim loại chuyển tiếp (TMD)
Theo KS Nassiri Nazif, nhóm vật liệu TMD có khả năng hấp thụ ánh sáng cao nhất so với bất kỳ vật liệu quang điện nào. Một lớp vật liệu siêu mỏng này, mỏng hơn silicon hàng nghìn lần nhưng vẫn có lượng hấp thụ ánh sáng tương đương với thiết kế quang học phù hợp.
Nhưng những tế bào năng lượng mặt trời TMD tốt nhất đến nay có hiệu suất thấp hơn 3% và thấp hơn 0,7% khi được tạo ra trên một chất nền nhẹ và linh hoạt mặc dù trên lý thuyết, hiệu suất của vật liệu là 27%. KS Daus lưu ý, đây là loại vật liệu hoàn toàn mới, cần nhiều kỹ thuật sâu hơn để nâng cao hiệu quả.
Để chuyển tải hiệu quả các hạt điện tích từ lớp màng hấp thụ ánh sáng đến các điện cực. Trong nghiên cứu, các nhà khoa học phát triển một phương pháp chuyển tiếp các hạt điện tích, tạo ra pin mặt trời linh hoạt chất lượng cao. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu lắng đọng vonfram diselenide trên nền silicon, đặt các điện cực vàng lên trên, sau đó phủ lên một lớp nền nhựa dẻo mỏng.
Sau đó, nhóm nghiên cứu nhúng tập hợp vào nước, bóc cấu trúc mềm dẻo ra khỏi silicon, lật ngược cấu trúc cho vonfram ở trên, phủ lên một lớp graphene và molypden oxit. Toàn bộ thiết bị chỉ dày 350 nm.
KS Nassiri Nazif cho biết, các pin mặt trời loại này rất nhỏ, chỉ khoảng 100x100 µm. Để có thể thương mại hóa, ít nhất các thiết bị phải có kích thước cao hơn 1x1 cm.
Hầu hết mọi nỗ lực đều tập trung vào chế tạo vật liệu TMD một lớp nguyên tử cho thiết bị điện tử, nhưng đối với pin mặt trời, các màng phải dày hơn 100–200 nm. Nhóm nghiên cứu Stanford bắt đầu sản xuất màng rộng 2x2 cm vật liệu TMD, nhưng các màng dày hơn vẫn chưa đạt chất lượng cao như các mảnh nhỏ.
