Vật liệu không chì cho pin mặt trời thân thiện môi trường

Vật liệu thay thế silicon

Mặc dù loại vật liệu này được biết đến từ lâu, nhưng perovskite thu hút được sự quan tâm trong hai mươi năm qua do những tính chất quang ảnh điện tử độc đáo, rất hiệu quả trong việc chuyển đổi từ năng lượng mặt trời thành năng lượng điện và ít tốn kém hơn so với silicon, vật liệu truyền thống thường được sử dụng.

Trong khi các nhà nghiên cứu nỗ lực tìm hiểu ứng dụng perovskites hữu cơ - vô cơ trong công nghệ chế tạo pin mặt trời tương lai, một nhược điểm nội tại đã hạn chế khả năng phát triển trong ứng dụng pin mặt trời: Perovskites thực chất không ổn định khi tiếp xúc với độ ẩm và ánh sáng.

Nhược điểm nội tại này làm giảm hiệu quả của perovskites khi vật liệu xuống cấp và phân hủy thành một số sản phẩm nguy hiểm, chẳng hạn như chì và iốt chì.

Trong một bài báo gần đây được xuất bản trên Tạp chí Vật liệu Chức năng Tiên tiến (Advanced Functional Materials), một nhóm các nhà nghiên cứu Mỹ đề xuất một loại perovskite chacogenide không chì như một giải pháp thay thế để cung cấp pin mặt trời an toàn và hiệu quả hơn.

Theo GS Nikhil Koratkar, hàng không vũ trụ và kỹ thuật hạt nhân tại Rensselaer, một trong những nhà khoa học của nhóm nghiên cứu, Học viện kỹ thuật Quốc gia Mỹ xác định 14 thử thách khoa học công nghệ lớn: Một trong số đó là tìm kiếm công nghệ để năng lượng từ mặt trời rẻ hơn và mở rộng hơn.

Động lực cấp bách này thúc đẩy nghiên cứu khoa học nhằm chế tạo ra những vật liệu mới, cạnh tranh với hiệu quả chuyển đổi năng lượng của silicon, giảm chi phí sản xuất pin mặt trời. Vật liệu mới, thân thiện môi trường, bền vững và giá thành hạ là chìa khóa để đạt được mục tiêu phát triển công nghiệp năng lượng xanh, sạch.

Perovskite hữu cơ - vô cơ có được hiệu suất rất cao trong ngày đầu tiên, nhưng trong vòng ba đến bốn ngày, tối đa một tuần, hiệu suất của pin điện perovskite giảm nhanh chóng. Ngoài ra, những vật liệu này không thân thiện với môi trường vì có chứa chì, khi phân hủy sẽ gây độc hại cho môi trường.

Petrovskites có thể sẽ là loại vật liệu tương lai 

Trong nghiên cứu hiện tại, sử dụng phương pháp mô phỏng và máy tính, nhóm nghiên cứu phát hiện được sự xuống cấp chậm hơn của vật liệu petrovskite màng mỏng barium zirconium sulfide (BaZrS3) so với vật liệu tương đương có chứa chì (MAPbI3).

BaZrS3 là một provskite chalcogenide nguyên mẫu, một loại chất bán dẫn màng mỏng mới có nhiều tính chất vật lý ấn tượng cho sự phát triển pin điện mặt trời giá rẻ.

Theo các nhà khoa học, những mô phỏng cho thấy sự xuống cấp chậm hơn rất nhiều ở BaZrS3 do có hai yếu tố đặc trưng - tương tác yếu với nước và tốc độ di chuyển ion rất thấp.

Mô phỏng và tính toán cho thấy, các pin mặt trời BaZrS3 duy trì được 60% khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng sau 4 tuần trong điều kiện môi trường bình thường, các pin mặt trời sử dụng MAPbI3 tương tự cho thấy khả năng chuyển đổi giảm tới 95% chỉ sau 4 ngày.

Các dữ liệu thu được đã chứng minh tính ổn định vượt trội của BaZrS3 và củng cố khẳng định hiệu quả khi sử dụng loại vật liệu petrovskites trong quang điện tử, hơn nữa vật liệu không chứa chì, khi xuống cấp và phân hủy không gây độc hại trong điều kiện môi trường tiêu chuẩn.

Các tác giả của nghiên cứu khoa học cũng cho thấy, vật liệu này sản xuất rẻ hơn so với silicon và tin tưởng rằng petrovskites có thể sẽ là loại vật liệu tương lai tạo ra các pin mặt trời mới, chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng.