Vật liệu năng lượng mặt trời thế hệ tiếp theo cung cấp giải pháp thay thế tiết kiệm và thân thiện với môi trường hơn cho pin mặt trời silicon truyền thống, nhưng vẫn còn thách thức trong việc chế tạo các thiết bị này đủ bền để chịu được các điều kiện thực tế. Một công nghệ mới được phát triển bởi một nhóm các nhà khoa học quốc tế có thể đơn giản hóa việc phát triển pin mặt trời peroxide ổn định, hiệu quả, được đặt tên theo cấu trúc tinh thể độc đáo có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến vượt trội.
Các nhà khoa học bao gồm Nelson Dzade, giảng viên của bang Pennsylvania, báo cáo trên tạp chí Nature Energy rằng phương pháp mới của họ có thể tạo ra pin mặt trời peroxide bền hơn mà vẫn đạt hiệu suất cao 21,59% trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng.
Dezadeh, Trợ lý Giáo sư về Kỹ thuật Năng lượng và Khoáng sản của Gia đình John và Willie Lyon tại Khoa Kỹ thuật Năng lượng và Khoáng sản, đồng thời là đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết diopside là một công nghệ năng lượng mặt trời đầy hứa hẹn vì tế bào có thể được chế tạo ở nhiệt độ phòng sử dụng ít năng lượng hơn vật liệu silicon truyền thống, khiến chúng rẻ hơn và bền vững hơn. Nhưng các ứng cử viên hàng đầu để chế tạo các thiết bị này, halogen kim loại lai hữu cơ-vô cơ, chứa các thành phần hữu cơ dễ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm, oxy và nhiệt và có thể gây suy giảm hiệu suất nhanh chóng khi tiếp xúc với điều kiện thực tế, các nhà khoa học cho biết.
Một giải pháp là chuyển sang sử dụng vật liệu kiến trúc hoàn toàn vô cơ như Caesium chì iodua, mang lại đặc tính điện tốt và khả năng chống chịu đặc biệt với các yếu tố môi trường. Tuy nhiên, vật liệu này là đa tinh thể, nghĩa là nó có nhiều pha với cấu trúc tinh thể khác nhau. Các nhà khoa học cho biết, hai trong số các loại quang hoạt tương đối tốt cho pin mặt trời, nhưng chúng có thể dễ dàng chuyển đổi thành các pha kém, không quang hoạt ở nhiệt độ phòng, gây ra các khiếm khuyết làm giảm hiệu quả của pin mặt trời.
Công nghệ tiếp xúc dị pha pha đột phá
Các nhà khoa học đã kết hợp hai đa tinh thể quang hoạt của iodua chì Caesium để tạo thành dị thể pha - giúp ngăn chặn sự chuyển đổi sang các pha không mong muốn. Các tiếp xúc dị thể được hình thành bằng cách xếp chồng các vật liệu bán dẫn khác nhau với các đặc tính quang điện tử khác nhau, giống như các lớp trong pin mặt trời. Những điểm nối này trong các thiết bị năng lượng mặt trời có thể được tùy chỉnh để giúp hấp thụ nhiều năng lượng hơn từ mặt trời và chuyển đổi thành điện năng hiệu quả hơn.
Dzade cho biết: "Cái hay của công trình này là nó cho thấy rằng việc sử dụng hai đa tinh thể của cùng một vật liệu để tạo ra pin mặt trời dị pha là một phương pháp khả thi. Nó cải thiện tính ổn định của vật liệu và ngăn chặn sự chuyển đổi lẫn nhau giữa hai pha. Pha được hình thành giữa hai pha. Giao diện khô cho phép các electron dễ dàng chảy qua thiết bị, từ đó tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng." "
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một thiết bị đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 21,59%, thuộc hàng cao nhất đối với loại phương pháp này và cũng có độ ổn định tuyệt vời. Không những vậy, thiết bị vẫn có thể duy trì được hơn 90% hiệu suất ban đầu sau 200 giờ bảo quản trong điều kiện môi trường xung quanh.
Dzade cho biết: "Khi mở rộng quy mô từ phòng thí nghiệm sang mô-đun năng lượng mặt trời thực tế, thiết kế của chúng tôi đã đạt được hiệu suất đáng kể với diện tích pin mặt trời vượt quá 7 inch vuông (18,08 cm vuông). Hiệu suất chuyển đổi tốc độ đạt 18,43%. Những kết quả sơ bộ này nêu bật tiềm năng của phương pháp của chúng tôi trong việc phát triển các mô-đun pin mặt trời peroxide siêu lớn và đánh giá đáng tin cậy về độ ổn định của chúng.Các nhà nghiên cứu đã mô hình hóa các đặc tính cấu trúc và điện tử của liên kết dị thể ở quy mô nguyên tử và nhận thấy rằng việc kết hợp hai hoạt động quang học này sẽ tạo ra cấu trúc giao diện ổn định và mạch lạc, thúc đẩy quá trình phân tách và truyền điện tích hiệu quả - những đặc tính mong muốn cho các thiết bị năng lượng mặt trời hiệu quả.
Dzade tại Đại học Quốc gia Chonnam, Hàn Quốc đã phát triển một phương pháp lắng đọng kép độc đáo để chế tạo thiết bị—một pha được lắng đọng bằng công nghệ không khí nóng và pha còn lại được lắng đọng bằng công nghệ bay hơi nhiệt ba nguồn. Sawanta S. Mali, giáo sư nghiên cứu tại Đại học Chonnam ở Hàn Quốc và là tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết việc bổ sung một lượng nhỏ phân tử và chất phụ gia hữu cơ trong quá trình lắng đọng giúp cải thiện hơn nữa hiệu suất điện, hiệu quả và độ ổn định của thiết bị.
“Chúng tôi tin rằng bồn rửa đôi mà chúng tôi đã phát triển trong nghiên cứu này là Công nghệ lắng đọng sẽ có tác động quan trọng đến việc sản xuất pin mặt trời peroxide hiệu quả và ổn định. "
Các nhà nghiên cứu cho biết kỹ thuật lắng đọng kép này có thể mở đường cho sự phát triển của nhiều pin mặt trời hơn dựa trên các thành phần kiến trúc halogenua hoàn toàn vô cơ hoặc các thành phần kiến trúc halogenua khác. Các nhà nghiên cứu cho biết, ngoài việc mở rộng công nghệ cho các thành phần khác nhau, công việc trong tương lai còn bao gồm việc chế tạo các tế bào dị pha hiện tại bền hơn trong điều kiện thực tế và mở rộng chúng theo kích thước của các tấm pin mặt trời truyền thống.
Dzade cho biết: "Với phương pháp này, chúng tôi tin rằng hiệu suất của vật liệu này sẽ đạt trên 25% trong tương lai gần. Một khi chúng tôi đạt được điều này, việc thương mại hóa sẽ sớm diễn ra."