Perovskites là một họ vật liệu đã cho thấy tiềm năng về hiệu suất cao và chi phí sản xuất thấp trong pin mặt trời. Pin mặt trời Perovskite đã cho thấy sự tiến bộ đáng kể trong những năm gần đây với hiệu suất tăng nhanh chóng, từ báo cáo khoảng 3% năm 2009 lên hơn 25% hiện nay. Mặc dù pin mặt trời perovskite đã trở nên hiệu quả cao trong thời gian rất ngắn, nhưng vẫn còn một số thách thức trước khi chúng có thể trở thành một công nghệ thương mại cạnh tranh.
Giới thiệu về Perovskites
Perovskite là một khoáng chất oxit titan canxi, với công thức hóa học CaTiO3. Khoáng chất được phát hiện ở dãy núi Ural của Nga bởi Gustav Rose vào năm 1839 và được đặt theo tên của nhà khoáng vật học người Nga Lev Perovski (1792–1856) và được sử dụng trong pin mặt trời lần đầu tiên vào năm 2009
Perovskite là một vật liệu có cấu trúc tinh thể giống như khoáng chất oxit titan canxi, tinh thể perovskite được phát hiện đầu tiên. Nói chung, các hợp chất perovskite có công thức hóa học ABX3, trong đó ‘A’ và ‘B’ đại diện cho các cation và X là một anion liên kết với cả hai. Một số lượng lớn các nguyên tố khác nhau có thể được kết hợp với nhau để tạo thành cấu trúc perovskite. Sử dụng tính linh hoạt của thành phần này, các nhà khoa học có thể thiết kế tinh thể perovskite để có nhiều đặc tính vật lý, quang học và điện học. Ngày nay, tinh thể perovskite được tìm thấy trong máy siêu âm, chip nhớ, và bây giờ là pin mặt trời.
Ứng dụng năng lượng sạch của perovskites
Tất cả các tế bào quang điện đều dựa vào chất bán dẫn – vật liệu nằm ở lớp đất trung gian giữa chất cách điện như thủy tinh và chất dẫn kim loại như đồng – để biến năng lượng từ ánh sáng thành điện năng. Ánh sáng từ mặt trời kích thích các electron trong vật liệu bán dẫn chạy vào các điện cực dẫn và tạo ra dòng điện.
Silicon là vật liệu bán dẫn chính được sử dụng trong pin mặt trời từ những năm 1950, vì đặc tính bán dẫn của nó phù hợp với quang phổ của tia nắng mặt trời và nó tương đối nhiều và ổn định. Tuy nhiên, các tinh thể silicon lớn được sử dụng trong các tấm pin mặt trời thông thường đòi hỏi một quy trình sản xuất nhiều bước, tốn kém, sử dụng nhiều năng lượng. Trong quá trình tìm kiếm một giải pháp thay thế, các nhà khoa học đã khai thác khả năng đánh bắt của perovskite để tạo ra chất bán dẫn có các đặc tính tương tự như silicon. Pin mặt trời Perovskite có thể được sản xuất bằng các kỹ thuật lắng đọng phụ gia, đơn giản, như in ấn, với một phần chi phí và năng lượng. Do tính linh hoạt trong thành phần của perovskite, chúng cũng có thể được điều chỉnh để phù hợp lý tưởng với quang phổ của mặt trời.
Vào năm 2012, các nhà nghiên cứu lần đầu tiên khám phá ra cách tạo ra pin mặt trời perovskite màng mỏng, ổn định với hiệu suất chuyển đổi photon-điện tử ánh sáng trên 10%, sử dụng perovskite chì halogen làm lớp hấp thụ ánh sáng. Kể từ đó, hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành điện năng của pin mặt trời perovskite đã tăng vọt, với kỷ lục trong phòng thí nghiệm là 25,2%. Các nhà nghiên cứu cũng đang kết hợp pin mặt trời perovskite với pin mặt trời silicon thông thường – hiệu suất kỷ lục cho các tế bào song song “perovskite trên silicon” này hiện là 29,1% (vượt qua kỷ lục 27% đối với pin silicon thông thường) và tăng nhanh. Với sự gia tăng nhanh chóng về hiệu quả sử dụng pin, pin mặt trời perovskite và pin mặt trời perovskite song song có thể sớm trở thành những lựa chọn thay thế giá rẻ, hiệu quả cao cho pin mặt trời silicon thông thường.
Một số mục tiêu nghiên cứu pin mặt trời perovskite
Trong khi pin mặt trời perovskite, bao gồm perovskite trên silicon, đang được thương mại hóa bởi hàng chục công ty trên toàn thế giới, vẫn còn những thách thức khoa học và kỹ thuật cơ bản cần giải quyết để có thể cải thiện hiệu suất, độ tin cậy và khả năng sản xuất của chúng.
Một số nhà nghiên cứu perovskite tiếp tục nâng cao hiệu quả chuyển đổi bằng cách xác định các khuyết tật trong perovskite. Mặc dù chất bán dẫn perovskite có khả năng chịu khuyết tật đáng kể, nhưng các khuyết tật vẫn ảnh hưởng một cách đáng kể đến hiệu suất – đặc biệt là những khuyết tật xuất hiện ở bề mặt của lớp hoạt động. Các nhà nghiên cứu khác đang khám phá các công thức hóa học perovskite mới, để điều chỉnh các đặc tính điện tử của chúng cho các ứng dụng cụ thể (như ngăn xếp tế bào song song) hoặc cải thiện hơn nữa độ ổn định và tuổi thọ của chúng.
Các nhà nghiên cứu cũng đang nghiên cứu các thiết kế tế bào mới, các chiến lược đóng gói mới để bảo vệ perovskite khỏi môi trường và tìm hiểu các con đường suy thoái cơ bản để họ có thể sử dụng các nghiên cứu lão hóa nhanh để dự đoán tuổi thọ của pin mặt trời perovskite trên các mái nhà. Những người khác đang nhanh chóng khám phá nhiều quy trình sản xuất khác nhau, bao gồm cách điều chỉnh “mực” perovskite với các phương pháp in giải pháp quy mô lớn đã được thiết lập. Cuối cùng, trong khi các perovskite hoạt động tốt nhất ngày nay được tạo ra với một lượng nhỏ chì, các nhà nghiên cứu cũng đang khám phá các chế phẩm thay thế và các chiến lược đóng gói mới, để giảm thiểu những lo ngại liên quan đến độc tính của chì.
Kết luận
Vật liệu Perovskite cung cấp khả năng hấp thụ ánh sáng tuyệt vời, khả năng mang điện tích và tuổi thọ, dẫn đến hiệu suất thiết bị cao với cơ hội hiện thực hóa công nghệ chi phí thấp, có thể mở rộng quy mô ngành. Để đạt được tiềm năng này sẽ đòi hỏi chúng ta phải vượt qua các rào cản liên quan đến tính ổn định và khả năng tương thích với môi trường, nhưng nếu những lo ngại này được giải quyết, công nghệ dựa trên perovskite có tiềm năng chuyển đổi để triển khai năng lượng mặt trời quy mô terawatt nhanh chóng. Các đặc tính cơ bản của vật liệu cũng đã làm dấy lên sự quan tâm đến việc sử dụng các chất bán dẫn perovskite lai trong một loại ứng dụng năng lượng rộng hơn bao gồm các hệ thống điện tử và quang học truyền thống.
