Cải tiến hóa học làm ổn định công thức chế tạo vật liệu perovskite hiệu suất cao

Các nhà nghiên cứu tại Viện Kỹ thuật Liên bang Lausanne (EPFL) ở Thụy Sĩ đã tìm cách chuyển trạng thái ổn định bất quang hoạt của một dạng vật liệu Perovskite kim loại-halogen hiệu suất cao nhất trở nên hoạt động hơn dưới ánh mặt trời.

Khắc phục hạn chế bất quang hoạt của vật liệu perovskite kim loại-halogen

Perovskite là một loại vật liệu được tạo thành từ các vật liệu hữu cơ liên kết với kim loại. Cấu trúc và đặc tính hấp dẫn của chúng đã đưa perovskite trở thành vật liệu hàng đầu trong nghiên cứu ứng dụng. Các perovskite kim loại-halogen đặc biệt phổ biến và đang được xem xét dùng trong pin mặt trời, đèn LED, laser và cảm biến quang.

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời perovskite trong mười năm qua đã tăng từ mức 3,8% lên 25,5%, vượt qua các loại pin mặt trời màng mỏng khác - kể cả loại pin Poly từ silicon đa tinh thể đơn đang phổ biến nhất trên thị trường.

Perovskite thường được tạo bằng cách trộn và xếp nhiều lớp vật liệu khác nhau lại với nhau trên một chất nền dẫn điện trong suốt, tạo ra các lớp màng mỏng nhẹ. Quá trình này được gọi là "lắng đọng hóa học" (chemical deposition). Phương pháp này khá bền và tương đối hiệu quả về mặt chi phí.

Nhưng nó cũng có một vấn đề. Từ năm 2014, perovskite kim loại-halogen được tạo ra bằng cách trộn các ion dương, halogenua với formamidinium (FA), chẳng hạn như FAPbI3 – một công thức đã được chứng minh là ứng viên lý tưởng mang lại hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao trong pin mặt trời perovskite.

Việc thu được màng FAPbI3 ở pha α có độ tinh thể cao, ổn định và tinh khiết có ý nghĩa rất quan trọng. Tuy nhiên, FAPbI3 có thể chuyển từ pha α sang pha δ khi nhiệt độ xuống dưới 150°C.

Trạng thái δ này lại bất quang hoạt, nghĩa là không phản ứng với ánh sáng. Điều này đi ngược với chức năng của một thiết bị thu năng lượng mặt trời. Ngoài ra, pin mặt trời làm bằng FAPbI3 cũng bộc lộ những vấn đề về độ bền theo thời gian.

Do vậy, các nhà nghiên cứu tại Viện Kỹ thuật Liên bang Lausanne (EPFL) của Thụy Sĩ đã phát triển một phương pháp lắng đọng giúp chuyển vật liệu FAPbI3 từ pha δ về pha α trong khi vẫn duy trì được khả năng chuyển đổi cao của pin mặt trời perovskite.

Vật liệu ban đầu được xử lý bằng hơi metylamoni thiocyanat (MASCN) hoặc formamidinium thiocyanate (FASCN). Sự tinh chỉnh này biến các phim perovskite FAPbI3 bất quang hoạt trở nên hoạt động hơn dưới ánh sáng .

Các nhà khoa học đã sử dụng màng FAPbI3 mới để chế tạo pin mặt trời perovskite. Kết quả cho thấy pin có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, hơn 23%, hoạt động lâu dài và ổn định nhiệt. Chúng cũng có mức tổn thất điện áp mạch hở thấp (330 mV) và điện áp phát quang khi bật thấp (0,75 V). Công trình này đã được đăng trên tạp chí Science tháng 10/2020.

Theo Khoahocphattrien