Bổ sung lớp phủ phân tử làm tăng hiệu suất tế bào năng lượng mặt trời

Lớp phủ này tốt hơn cả vật liệu hàng đầu hiện đang được sử dụng cho nhiệm vụ này, vì vậy có thể mở ra những cải tiến cho các thiết bị khác dựa trên các phân tử hữu cơ, chẳng hạn như dùng cho điốt phát sáng hay bộ tách sóng quang.

Không giống các tế bào quang điện truyền thống sử dụng silicon tinh thể để gom ánh sáng, tế bào quang điện hữu cơ (OPV) dựa vào một lớp hấp thụ ánh sáng của các phân tử gốc cacbon. Mặc dù hiệu suất của tế bào OPV chưa thể sánh ngang với silicon, nhưng chúng lại dễ sản xuất ở quy mô lớn nên chi phí giảm mạnh.

Tế bào quang điện hữu cơ (OPV) tăng hiệu suất nhờ lớp phủ phân tử

Về nguyên lý, khi ánh sáng đi vào tế bào quang điện, năng lượng của nó giải phóng một điện tử âm và để lại một khoảng trống dương, được gọi là lỗ trống. Các vật liệu khác tập hợp các electron để tạo ra dòng điện.

Trong OPV, một vật liệu được gọi là PEDOT sử dụng rộng rãi để dễ dàng chuyển các lỗ được tạo ra thành điện cực. Tuy nhiên, nhược điểm của vật liệu này là đắt, có tính axit nên làm giảm độ bền của tế bào quang năng theo thời gian vận hành.

Với phát hiện trên, nhóm nghiên cứu đã tìm ra giải pháp thay thế tốt hơn cho vật liệu nói trên bằng cách sử dụng một lớp phủ mỏng phân tử vận chuyển lỗ trống, gọi là Br-2PACz, liên kết với điện cực indium thiếc oxit (ITO) tạo ra một lớp đơn phân tử. Kết quả hiệu suất chuyển đổi năng lượng tăng lên 18,4%, trong khi tế bào tương đương sử dụng vật liệu PEDOT chỉ đạt 17,5%.

Qua thử nghiệm, Br-2PACz làm tăng hiệu suất của tế bào theo cách tạo ra ít điện trở hơn và cho phép nhiều ánh sáng chiếu qua lớp hấp thụ hơn. Br-2PACz còn cải thiện cấu trúc của chính lớp hấp thụ ánh sáng, hiệu ứng liên quan đến quá trình phủ. Ngoài ra, cách cải tiến mới này còn tăng khả năng tái chế cho tấm quang điện. Cụ thể, điện cực ITO có thể được lấy ra khỏi tế bào, loại bỏ lớp phủ, sau đó được sử dụng lại như vật liệu mới, vừa kinh tế lại giảm thiểu ô nhiễm cho các tế bào quang điện hữu cơ OPV.