Nhóm các nhà khoa học thuộc Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) vừa phát triển thành công loại pin Mặt Trời xếp chồng perovskite - hữu cơ có hiệu suất chuyển đổi quang điện ổn định đạt 28,04%, với cấu trúc song song tích hợp 2 tế bào phụ hấp thụ ánh sáng bổ sung cho nhau để thu được phạm vi quang phổ mặt trời rộng hơn so với các thiết bị đơn lớp truyền thống. Với hiệu suất kể trên, nghiên cứu đã thiết lập kỷ lục thế giới mới đối với dòng pin năng lượng mặt trời và mở ra triển vọng thúc đẩy ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng sạch.

Kết quả của Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature mới đây.

Không giống như các tấm pin mặt trời silicon truyền thống - thường cứng và đòi hỏi sản xuất ở nhiệt độ cao - các tấm pin thế hệ mới này sử dụng hỗn hợp "perovskite" - một cấu trúc tinh thể tổng hợp, có khả năng tùy chỉnh cao, tích hợp các vật liệu hữu cơ. Bởi vì cấu trúc nhẹ, linh hoạt và có thể được in ở nhiệt độ thấp như mực in trên giấy, thành công của nghiên cứu đang  mở ra con đường rẻ hơn và dễ dàng hơn để sản xuất hàng loạt và thương mại hoá trên quy mô lớn hơn.

Với pin mặt trời perovskite - hữu cơ ghép lớp, lớp perovskite phía trên được tùy chỉnh để thu nhận ánh sáng năng lượng cao như tia cực tím, trong khi lớp hữu cơ phía dưới hấp thụ ánh sáng cận hồng ngoại. Hai vật liệu này hoạt động song song, lớp trên cùng ngăn chặn các tia cực tím mạnh có thể làm hỏng lớp hữu cơ phía dưới, trong khi lớp hữu cơ chống nước bảo vệ lớp perovskite nhạy cảm với độ ẩm phía trên.

"Thiết kế này cho phép các nhà khoa học 'tinh chỉnh' vật liệu, về cơ bản là điều chỉnh màu sắc cụ thể của ánh sáng mà nó hấp thụ" – chia sẻ về công nghệ đột phá mới của mình Meng Lei, giáo sư tại Viện Hóa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

Mặc dù đầy hứa hẹn, các tế bào quang điện lai từ lâu đã phải đối mặt với một trở ngại lớn là sự phân tách hóa học bên trong.

Để hấp thụ đúng màu ánh sáng, lớp perovskite được tạo ra bằng cách kết hợp các thành phần halogen khác nhau, đặc biệt là iodua và bromua. Tuy nhiên, các thành phần này có xu hướng tách rời. Chúng không trộn lẫn đồng đều trong quá trình chuyển đổi tiền chất thành màng và kết tinh, mà chúng lại tách rời khi tiếp xúc lâu với ánh sáng mặt trời trong quá trình hoạt động. Sự tách rời hóa học này tạo ra các khuyết tật vi mô, khiến pin mặt trời bị xuống cấp nhanh chóng.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu của giáo sư Meng đã tạo ra một phân tử phụ gia thông minh, có khả năng biến đổi quang học gọi là TDB.

TDB hoạt động như một chất ổn định hai giai đoạn. Trong quá trình sản xuất, nó điều chỉnh động lực kết tinh và thúc đẩy sự trộn lẫn halogen đồng nhất trong quá trình hình thành màng. Sau đó, khi pin mặt trời hoạt động dưới ánh nắng mặt trời, ánh sáng kích hoạt các phân tử TDB tại các ranh giới vi mô của vật liệu để biến đổi, liên kết chặt chẽ với bề mặt. Điều này ngăn chặn sự di chuyển của halogen và ngăn ngừa sự hình thành các khuyết tật dưới ánh sáng mặt trời.

"Bản chất biến đổi nhờ ánh sáng của TDB cho phép nó giải quyết tuần tự các thách thức ở hai giai đoạn khác nhau," Wu Ruihan - nghiên cứu sinh tiến sĩ thuộc dự án nghiên cứu trên, cho biết.

Kết quả thu được là một pin mặt trời có độ ổn định cao và hiệu suất vượt trội. Lớp perovskite được tối ưu hóa đã đạt được điện áp mạch hở - điện áp tối đa mà pin mặt trời tạo ra dưới ánh sáng là 1,42 volt, một kỷ lục đối với loại pin mặt trời này.

Khi được tích hợp hoàn toàn vào thiết bị song song, công nghệ này đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng tổng thể là 28,80%, với hiệu suất ổn định được chứng nhận là 28,04%. Quan trọng hơn, thiết bị vẫn giữ được 90% hiệu suất ban đầu sau 625 giờ chiếu sáng liên tục, chứng minh rằng hiệu suất cao không nhất thiết phải đánh đổi bằng độ bền.

Li Yongfang - viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và là đồng tác giả chính của nghiên cứu đột phá kề trên về pin năng lượng mạt trờiperovskite, cho biết những tế bào siêu nhẹ và linh hoạt có thể đẩy nhanh quá trình chuyển đổi toàn cầu sang năng lượng sạch.

Nhà khoa học này cũng lưu ý rằng công nghệ này có tiềm năng lớn cho các ứng dụng trên mặt đất, chẳng hạn như tấm pin mặt trời tích hợp trực tiếp vào cửa sổ tòa nhà, thiết bị điện tử đeo được, máy bay không người lái và bộ nguồn di động. Nó cũng có thể đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, bao gồm cung cấp năng lượng cho vệ tinh, trạm vũ trụ và các nhiệm vụ thám hiểm không gian sâu.

Theo CND