Đột phá lớn đối với pin mặt trời giá rẻ và dễ sử dụng

Pin mặt trời perovskite (Perovskite là tên gọi chung của các vật liệu gốm có cấu trúc tinh thể giống với cấu trúc của vật liệu gốm canxi titanat(CaTiO3)-PV) được làm từ hỗn hợp phân tử hữu cơ và các nguyên tố vô cơ, sẽ thu ánh nắng mặt trời và chuyển đổi thành điện năng, giống như pin mặt trời silicon thông dụng hiện nay. Tuy nhiên, pin mặt trời perovskite dễ sản xuất với chi phí rẻ hơn pin silicon.

Trong một bài báo đăng tải trực tuyến trên Tạp chí Nature Materials, các nhà nghiên cứu tại Trường Đại học California và Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley đã đề cập đến một thiết kế mới đạt hiệu suất ổn định ở mức trung bình 18,4%, trong đó hiệu suất cao là 21,7% và cao nhất lên đến 26%.

GS. Alex Zettl, chuyên ngành vật lý tại Phòng thí nghiệm Berkeley cho biết nhóm nghiên cứu hiện đã lập kỷ lục về các thông số khác nhau của pin mặt trời perovskite, gồm có thông số hiệu suất. Hiệu suất mà pin đạt được là 21,7%, cao hơn bất cứ loại pin perovskite nào. Hiệu suất của pin perovskite cao hơn 10-20% so với pin mặt trời silicon đa tinh thể được sử dụng để cung cấp điện cho hầu hết các thiết bị điện tử và hộ gia đình.

Pin mặt trời perovskite đạt hiệu suất cao là nhờ kỹ thuật mới kết hợp hai vật liệu perovskite, trong đó mỗi vật liệu được điều chỉnh để hấp thụ một bước sóng hoặc màu sắc của ánh nắng mặt trời khác nhau, để tạo thành pin mặt trời hấp thụ gần như toàn bộ quang phổ của ánh sáng nhìn thấy. Những nỗ lực trước đây để kết hợp hai vật liệu perovskite đã thất bại do vật liệu này làm giảm hiệu quả của vật liệu kia.

Pin mặt trời đầy đủ phổ

Các vật liệu như silicon và perovskite là chất bán dẫn, nghĩa là chúng dẫn điện chỉ khi các điện tử có thể hấp thụ đủ năng lượng, ví dụ từ một photon của ánh sáng để đẩy các điện tử qua khe năng lượng (là dải năng lượng trong chất rắn, trong đó không có trạng thái điện tử nào có thể tồn tại). Các vật liệu này ưu tiên hấp thụ ánh sáng có mức năng lượng hoặc bước sóng cụ thể - năng lượng trong khe năng lượng - nhưng không hiệu quả với các bước sóng khác.

Onur Ergen, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: "Trong trường hợp này, chúng tôi đẩy toàn bộ quang phổ mặt trời từ quang phổ hồng ngoại sang quang phổ nhìn thấy. Các tính toán về hiệu suất lý thuyết của chúng cao hơn nhiều và dễ đạt được hơn đối với pin mặt trời có khe năng lượng đơn vì chúng tôi có thể tăng tối đa phạm vi bao phủ của quang phổ mặt trời".

Chìa khóa để kết hợp hai vật liệu vào trong pin mặt trời song song là lớp nitride boron lục giác dày một nguyên tử, trông giống một lớp lưới thép mỏng ngăn cách các lớp perovskite với một lớp khác. Hai vật liệu perovskite này được làm từ phân tử metyl hữu cơ và ammoniac. Một vật liệu chứa kim loại thiếc và i-ốt, trong khi vật liệu còn lại chứa chì và iốt pha brôm. Vật liệu thứ nhất được điều chỉnh để ưu tiên hấp thụ ánh sáng có mức năng lượng 1eV - năng lượng hồng ngoại hoặc nhiệt năng, trong khi vật liệu thứ hai hấp thụ các photon có mức năng lượng 2 eV hoặc màu hổ phách. Đơn lớp nitride boron cho phép hai vật liệu perovskite kết hợp với nhau và sản xuất điện từ ánh sáng trên toàn bộ dải màu trong phạm vi từ 1 đến 2 eV.

Hai lớp perovskite/nitride boron được đặt trên một aerogel trọng lượng nhẹ của graphene để thúc đẩy sự phát triển của các tinh thể perovskite hạt mịn, được dùng làm hàng rào chống ẩm và giúp ổn định sự vận chuyển của điện tích qua pin mặt trời. Trước đây, độ ẩm khiến cho perovskite bị hỏng.

Toàn bộ cấu trúc này được cố định ở phía dưới bằng điện cực vàng và ở phía trên là lớp nitride galium thu gom các điện tử được tạo ra trong pin. Lớp hoạt động của pin mặt trời màng mỏng dày khoảng 400 nanomet.

Pin mặt trời perovskite đầu tiên có thể sẽ được tung ra thị trường vào năm tới.

N.P.D-NASATI (Theo Sciencenewsline)