Nghiên cứu chế tạo vật liệu perovskite cơ kim halogen trên cơ sở các cation hữu cơ khác nhau nhằm ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện ngày càng được quan tâm nghiên cứu ở nhiều nước tiên tiến nhằm tận dụng một nguồn năng lượng sạch, tái tạo liên tục và vô hạn là năng lượng mặt trời. Một trong những vật liệu được phát triển trong những năm gần đây là vật liệu perovskite cơ kim halogen được sử dụng làm chất hấp thụ quang nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời. Nhóm vật liệu này có công thức chung là AMX3 và có cấu trúc tương tự canxititanat (CaTiO3), trong đó A là cation hữu cơ (CH3NH3 +, HC (NH2)2 +…); M là cation vô cơ (Pb2+, Sn2+…); X là anion halogen (I-, Cl-, Br -).

Vật liệu CH3NH3PbX3 (X = Br và I) được ứng dụng lần đầu tiên trong pin mặt trời năm 2009 cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) 3-4%. Từ đó đến nay, hiệu suất của pin mặt trời trên nền perovskite cơ kim halogen đã đạt đến khoảng 21.5% và tiếp tục là mối quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới. Khi pin mặt trời hoạt động, lớp perovskite cơ kim halogen là chất bán dẫn có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời tạo ra các điện tử tự do và các lỗ trống. Điện tử dịch chuyển qua lớp bán dẫn loại n về cực âm, còn các lỗ trống dịch chuyển qua lớp bán dẫn loại p về cực dương.

Vật liệu perovskite cơ kim halogen mở ra tiềm năng cho việc phát triển các pin năng lượng mặt trời có hiệu suất cao. Một trong những định hướng phổ biến nhằm nâng cao hiệu suất của pin năng lượng mặt trời trên cơ sở vật liệu perovskite là thay thế một phần hoặc toàn phần ion kim loại Pb2+ bằng Sn2+ với các ion halogen khác nhau và ion phổ biến methylammonium [(CH3)NH3] +  hay kết tinh dưới dạng đơn tinh thể. Ngoài ra, một hướng nghiên cứu tiềm năng được đề xuất trên cơ sở các tính toán lý thuyết là thay thế cation methylammonium [(CH3)NH3] + bằng các ion hữu cơ khác nhằm nâng cao hiệu năng của vật liệu, đặc biệt là làm giảm hiện tượng trễ trên.

Với mong muốn trên, nhóm nghiên cứu do TS. Trương Thanh Tú, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đứng đầu đã đề xuất thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu perovskite cơ kim halogen trên cơ sở các cation hữu cơ khác nhau nhằm ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời”. Nhóm nghiên cứu tập trung nghiên cứu quy trình chế tạo và đặc tính cấu trúc vật liệu perovskite cơ kim halogen thay thế một phần hoặc toàn phần cation MA bằng các ion FA và GA tương ứng. Vật liệu chế tạo dự kiến kết tinh thành ba dạng: dạng bột đa tinh thể, đơn tinh thể, và dạng màng mỏng. Tương ứng mỗi dạng vật liệu sẽ được đặc trưng các đặc tính cấu trúc tinh thể, hình thái cấu trúc, và tính chất hấp thụ quang (đặc biệt đối với dạng màng mỏng). Kết quả thu được sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu hấp thụ thích hợp ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời hiệu suất cao. Điều này đặc biệt có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong bối cảnh các nguồn năng lượng hóa thạch đang đứng trước nguy cơ dần cạn kiệt, các quốc gia trên thế giới ngày càng quan tâm đến các nguồn năng lượng sạch được tái tạo liên tục và vô hạn, đặc biệt là năng lượng mặt trời.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, đề tài thu được các kết quả như sau:

- Đã tổng hợp được vật liệu perovskite cơ kim halogen trên cơ sở cation formamidinium (FA), bao gồm (i) đơn tinh thể với các hạt kích thước 0,5-1,5 mm perovskite MAxFA1-x PbI3 (x=0,15; 0,3; và 0,7); (ii) perovskite MAxFA1-x PbI3 (x = 0,4; 0,6; và 1) dạng bột với kích thước cỡ 200 mm; và (iii) đơn tinh thể FAPbIxBr3-x (x = 0; 1 và 2) với kích thước của các hạt tinh thể trung bình cỡ 0,5-1,5 mm;

- Đã tổng hợp được vật liệu perovskite cơ kim halogen trên cơ sở cation guanidinium (GA) dạng bột GAPbI3, GA2PbI4, GAPbBr3, GA2PbBr4 được tổng hợp bằng cách nghiền hỗn hợp tiền chất với các tỷ lệ và thành phần GA/MA, Br hoặc I khác nhau;

- Đã tổng hợp được màng mỏng vật liệu perovskite FAPbI3 được bền hóa bằng MABr có độ đồng nhất cao và bề dày trong khoảng 100-400 nm có khả năng hấp thụ trong vùng tử ngoại-khả kiến với biên tại 762 nm; màng FAPbBr3 có biên hấp thụ tại 534.5 nm; và màng GA2PbI4 có độ dày khoảng 300-500 nm có khả năng hấp thụ trong vùng tử ngoại-khả kiến;

- Đã tổng hợp và phân tích cấu trúc đơn tinh thể các đơn tinh thể CH3NH3PbI3, CH3NH3PbI2Br, CH3NH3PbI0.25 Br2.75 và CH3NH3PbBr3 được chế tạo có kích thước đồng nhất lên đến 2 mm;

- Đã tổng hợp vật liệu perovskite cơ kim halogen chứa thiếc dạng bột CH3NH3SnBrCl3 và CH3NH3SnBrCl2 được bằng phương pháp hóa ướt đơn giản.

Như vậy, đề tài đã tổng hợp thành công các vật liệu perovskite cơ kim halogen khác nhau với cation hữu cơ thông dụng MA và các ion hữu cơ khác là FA và GA cùng thành phần vô cơ chủ yếu là Pb và I, Br với các thành phần khác nhau và các dạng bột, đơn tinh thể và màng mỏng. Những kết quả phân tích nhiễu xạ XRD đơn tinh thể và XRD dạng bột cùng các phép phân tích hóa lý khác cho phép hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính chất của các vật liệu perovskite cơ kim halogen và để mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực chính là pin năng lượng mặt trời cũng như trong các ứng dụng khác đối với quang điện tử hay laser…

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 16692/2019) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

Theo Vista.gov.vn