‘Keo phân tử’ giúp tăng hiệu quả và độ bền pin năng lượng mặt trời

Perovskites là một loại vật liệu có cấu trúc nguyên tử tinh thể đặc biệt, giống như cấu trúc của vật liệu gốm canxi titanat. Cách đây hơn một thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng perovskite hấp thụ ánh sáng tốt, điều này đã mở ra một loạt nghiên cứu về pin mặt trời perovskite.

Đặc biệt, khoa học có thể tạo ra vật liệu hấp thụ ánh sáng perovskite ở mức gần với nhiệt độ phòng, trong khi đó, silicon lại phải cần tới nhiệt độ nóng chảy, khoảng 2.700 độ F (1.482 độ C). Ngoài ra, màng perovskite cũng mỏng hơn khoảng 400 lần so với tấm silicon. Sự thuận lợi của các quy trình sản xuất và sử dụng ít vật liệu hơn đồng nghĩa với chi phí thấp hơn so với sử dụng tế bào quang điện silicon.

Một trở ngại liên quan đến việc phân lớp là phải tạo ra các ô hoạt động. Mỗi ô chứa năm hoặc nhiều lớp riêng biệt, mỗi lớp đảm nhận một chức năng khác nhau khi sinh điện. Vì các lớp này được làm từ các vật liệu khác nhau nên chúng có các phản ứng khác nhau với lực bên ngoài. Ngoài ra, sự thay đổi nhiệt độ xảy ra trong quá trình sản xuất và trong quá trình bảo dưỡng có thể khiến một số lớp giãn nở hoặc biến thiên. Hậu quả tạo ra ứng suất cơ học tại các giao diện lớp, khiến các lớp tách rời nhau,  giao diện bị ảnh hưởng và cuối cùng làm giảm hiệu suất của tế bào quang điện.

Nhóm nghiên cứu dùng “keo phân tử” SAM để làm cứng các giao diện trong pin mặt trời, giúp pin hiệu quả và có tuổi thọ cao.

Giao diện yếu nhất trong số các giao diện đó là giao diện giữa màng perovskite được sử dụng để hấp thụ ánh sáng và lớp vận chuyển điện tử, giữ cho dòng điện chạy qua tế bào quang điện. Để khắc phục tồn tại này, nhóm đề tài ở BU đứng đầu là giáo sư kỹ thuật Nitin Padture đã phát triển thành công lớp phủ gốm từng được sử dụng trong động cơ máy bay, tạo ra các hợp chất được gọi là đơn lớp tự lắp ghép, hay SAM.

“Đây là một tập hợp các hợp chất, khi lắng đọng trên bề mặt, các phân tử tự tập hợp lại thành một lớp duy nhất và dựng đứng lên như những sợi tóc ngắn. Bằng cách sử dụng công thức phù hợp, có thể tạo ra các liên kết bền vững giữa các hợp chất này và tất cả các loại bề mặt khác nhau ”, giáo sư Nitin Padture cho hay.

Giáo sư Padture và các cộng sự đã phát hiện thấy công thức SAM với nguyên tử silicon ở một bên và nguyên tử iốt ở bên kia, có thể tạo liên kết bền chặt với cả lớp giao vận (thường được làm bằng thiếc oxit) và lớp hấp thụ ánh sáng perovskite. Các liên kết được hình thành bởi các phân tử này có thể củng cố bề mặt lớp.

“Khi chúng tôi đưa SAM vào giao diện, thì ngay lập tức độ dẻo của giao diện tăng lên khoảng 50%, có nghĩa là bất kỳ vết nứt nào hình thành tại giao diện có xu hướng không lan truyền quá xa. Vì vậy, trên thực tế, SAM trở thành một loại keo phân tử khiến hai lớp kết dính với nhau chặt hơn”, Giáo sư Padture tiết lộ.

Kết quả, loại keo này làm tăng đáng kể độ ổn định và độ tin cậy của tế bào quang điện, đồng thời cải thiện hiệu quả chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. SAM (self-assembled monolayers) qua thử nghiệm tính năng cho thấy nó đã làm tăng đáng kể tuổi thọ, tính năng của các tế bào quang điện.

Cụ thể, các tế bào quang điện không có SAM giữ được 80% hiệu suất ban đầu trong khoảng 700 giờ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm còn nếu có SAM thì pin vẫn hoạt động mạnh mẽ sau 1.330 giờ thử nghiệm. Dựa trên những thí nghiệm, các nhà nghiên cứu dự đoán tuổi thọ 80% hiệu suất của các tế bào SAM vào khoảng 4.000 giờ và các giao diện cường lực thực sự tốt. Ngoài ra, sử dụng SAM không tốn kém như sản xuất pin quang điện silicon.

Zhenghong Dai, một nghiên cứu sinh, thành viên của nhóm tiết lộ thêm, bản thân các SAM được làm từ các hợp chất sẵn có và dễ thi công theo quy trình phủ nhúng ở nhiệt độ phòng, tạo ra các tế bào quang điện không tốn kém, hiệu quả và có tuổi thọ cao.