Các nhà khoa học vật liệu tại Trường Kỹ thuật UCLA Samueli và các đồng nghiệp từ năm trường đại học khác trên thế giới đã phát hiện ra lý do chính khiến pin mặt trời perovskite – vốn cho thấy nhiều hứa hẹn về việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng – bị suy giảm dưới ánh sáng mặt trời, khiến hiệu suất của chúng bị ảnh hưởn. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh thành công một điều chỉnh đơn giản trong sản xuất để khắc phục nguyên nhân của sự xuống cấp, giải quyết rào cản lớn nhất đối với việc áp dụng rộng rãi công nghệ pin mặt trời màng mỏng.
Tế bào năng lượng mặt trời Perovskite là gì? Tế bào năng lượng mặt trời Perovskite là một loại pin mặt trời màng mỏng mới được hình thành từ một số loại vật liệu nhân tạo gọi là Perovskites. Perovskites là một vật liệu khác với các tấm silicon cấu thành pin năng lượng mặt trời truyền thống, pin mặt trời màng mỏng mới, làm từ chất bán dẫn perovskite. Perovskite là tên của một loại cấu trúc tinh thể dạng ABX3 (được phát hiện lần đầu trong hợp chất CaTiO3). A đại diện cho các gốc hữu cơ như CH3NH3+, C2H5NH3+, HC(NH2)2+; B là Pb2+, Sn2+ hoặc Cu2+ và X là các gốc halogen như Cl-, Br-, I-. Chúng có hiệu quả rất cao trong việc chuyển đổi các photon ánh sáng từ nguồn phát là mặt trời thành điện năng có thể sử dụng được. Các tế bào năng lượng mặt trời Perovskite đại diện cho một công nghệ năng lượng mặt trời mới hiệu suất cao, giá thành thấp và có thể là một sự thay thế trong tương lai cho các tấm pin mặt trời silicon truyền thống.
Một bài báo nghiên cứu trình bày chi tiết những phát hiện đã được xuất bản ngày hôm nay trên tạp chí Nature như một bài báo tiếp cận sớm. Nghiên cứu được dẫn đầu bởi Yang Yang, một giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật của UCLA Samueli, đồng thời là chủ tịch của Carol và Lawrence E. Tannas, Jr., Endowed Chair. Đồng tác giả đầu tiên là Shaun Tan và Tianyi Huang, cả hai đều là Tiến sĩ UCLA Samueli gần đây. sinh viên tốt nghiệp mà Yang đã tư vấn.
Perovskites là một nhóm vật liệu có cùng cách sắp xếp nguyên tử hoặc cấu trúc tinh thể như khoáng chất oxit titan. Một nhóm nhỏ của perovskites, perovskites bằng kim loại halogen, đang được quan tâm nghiên cứu lớn vì ứng dụng đầy hứa hẹn của chúng đối với pin mặt trời màng mỏng, tiết kiệm năng lượng.
Các tế bào năng lượng mặt trời dựa trên Perovskite có thể được sản xuất với chi phí thấp hơn nhiều so với các loại pin dựa trên silicon của chúng, làm cho các công nghệ năng lượng mặt trời dễ tiếp cận hơn nếu sự suy giảm thường được biết đến dưới ánh sáng lâu dài có thể được giải quyết đúng cách.
Yang, người cũng là thành viên của Viện California NanoSystems tại UCLA, cho biết: “Các tế bào năng lượng mặt trời dựa trên Perovskite có xu hướng xấu đi dưới ánh sáng mặt trời nhanh hơn nhiều so với các loại pin silicon của chúng, vì vậy hiệu quả của chúng trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng giảm xuống trong thời gian dài. “Tuy nhiên, nghiên cứu của chúng tôi cho thấy lý do tại sao điều này xảy ra và cung cấp một cách khắc phục đơn giản. Điều này thể hiện một bước đột phá lớn trong việc đưa công nghệ perovskite vào thương mại hóa và áp dụng rộng rãi.”
Một phương pháp xử lý bề mặt phổ biến được sử dụng để loại bỏ các khuyết tật của pin mặt trời bao gồm việc lắng đọng một lớp ion hữu cơ khiến bề mặt mang điện tích âm quá mức. Nhóm nghiên cứu do UCLA đứng đầu phát hiện ra rằng trong khi việc xử lý nhằm cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng trong quá trình chế tạo pin mặt trời perovskite, nó cũng vô tình tạo ra một bề mặt giàu điện tử hơn – một cái bẫy tiềm năng cho các điện tử mang năng lượng.
Điều kiện này làm mất ổn định sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử, và theo thời gian, pin mặt trời perovskite ngày càng trở nên kém hiệu quả hơn, cuối cùng khiến chúng không hấp dẫn để thương mại hóa.
Với khám phá mới này, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách giải quyết sự xuống cấp lâu dài của tế bào bằng cách ghép nối các ion tích điện dương với ion tích điện âm để xử lý bề mặt. Công tắc cho phép bề mặt trung tính và ổn định hơn, đồng thời duy trì tính toàn vẹn của các xử lý bề mặt ngăn ngừa khuyết tật.
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm độ bền của các tế bào năng lượng mặt trời của họ trong phòng thí nghiệm trong điều kiện lão hóa tăng tốc và hệ thống chiếu sáng 24/7 được thiết kế để bắt chước ánh sáng mặt trời. Các tế bào đã cố gắng giữ được 87% hiệu suất chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng ban đầu trong hơn 2.000 giờ. Để so sánh, các tế bào năng lượng mặt trời được sản xuất không có sửa chữa đã giảm xuống 65% hiệu suất ban đầu sau khi thử nghiệm trong cùng thời gian và điều kiện.
Tan nói: “Các tế bào năng lượng mặt trời perovskite của chúng tôi là một trong những loại pin ổn định nhất về hiệu suất được báo cáo cho đến nay. “Đồng thời, chúng tôi cũng đã đặt ra kiến thức nền tảng mới, nhờ đó cộng đồng có thể phát triển và hoàn thiện hơn nữa kỹ thuật đa năng của chúng tôi để thiết kế các tế bào năng lượng mặt trời perovskite ổn định hơn.”
Các tác giả tương ứng khác trên bài báo là Rui Wang, một trợ lý giáo sư kỹ thuật tại Đại học Westlake ở Hàng Châu, Trung Quốc; và Jin-Wook Lee, một trợ lý giáo sư kỹ thuật tại Đại học Sungkyunkwan ở Suwon, Hàn Quốc. Cả Wang và Lee đều là những nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của UCLA do Yang cố vấn.
Các nhà nghiên cứu từ UC Irvine; Đại học Marmara, Thổ Nhĩ Kỳ; và Đại học Quốc gia Yang Ming Chiao Tung, Đài Loan, cũng đóng góp cho bài báo.
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Văn phòng Năng lượng Hiệu quả và Năng lượng Tái tạo của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.
Nguồn: Tài liệu do Đại học California – Los Angeles cung cấp.
