Khi nhu cầu năng lượng sạch trên thế giới tăng nhanh, điện mặt trời ngày càng thu hút sự quan tâm để đáp ứng yêu cầu này. Song song đó, các nhà khoa học cũng khám phá pin mặt trời màng mỏng như một giải pháp thay thế pin mặt trời silicon tinh thể thông thường. Thiết kế mỏng hơn có thể sản xuất với chi phí thấp hơn, phù hợp sử dụng trong các ứng dụng điện tử nhẹ, linh hoạt.
Trong số các vật liệu tiềm năng, thiếc monosulfide (SnS) nổi lên như một lựa chọn khả thi cho các pin mặt trời màng mỏng thế hệ tiếp theo. Nó không đắt, không độc hại, tạo nên khác biệt so với các công nghệ lâu đời hơn, phụ thuộc các nguyên tố hạn chế như indium, gallium và tellurium.
Tuy nhiên, trên thực tế, pin mặt trời SnS vẫn chưa đạt được mức hiệu suất như lý thuyết dự kiến. Kết quả thực nghiệm luôn thấp hơn kỳ vọng, bất chấp nhiều năm nghiên cứu và tối ưu hóa. Một trong những trở ngại chính nằm ở giao diện tiếp xúc phía sau, nơi lớp SnS tiếp xúc với điện cực kim loại.
Tại tiếp xúc quan trọng này, một số vấn đề phát sinh đồng thời. Các khiếm khuyết cấu trúc, phản ứng hóa học không mong muốn và chuyển động không kiểm soát của các nguyên tử, đều cản trở dòng chảy điện tích một cách trơn tru. Các vấn đề này kết hợp, làm giảm hiệu quả thu thập và vận chuyển năng lượng của thiết bị, làm giới hạn đáng kể hiệu suất tổng thể của pin mặt trời.
Trong bối cảnh đó, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Jaeyeong Heo, Tiến sĩ Rahul Kumar Yadav từ Đại học quốc gia Chonnam (Hàn Quốc) dẫn đầu, đạt được bước đột phá đáng kể trong thiết kế pin mặt trời màng mỏng, khi tập trung vào việc chèn lớp oxit germanium (GeOx) siêu mỏng giữa lớp tiếp xúc phía sau molybdenum và lớp hấp thụ SnS.
Các nhà nghiên cứu sử dụng một phương pháp chính xác nhưng đơn giản để tạo ra lớp trung gian GeOx dày 7 nanomet. Họ khai thác hành vi oxy hóa tự nhiên của màng Ge mỏng trong quy trình vận chuyển lắng đọng hơi, quy trình có thể mở rộng quy mô và thân thiện với ngành công nghiệp.
Với độ dày ở cấp độ nano, lớp trung gian này giải quyết đồng thời một số thách thức lâu nay. Nó ngăn chặn các khiếm khuyết có hại, chặn sự khuếch tán natri không mong muốn và ngăn ngừa sự hình thành các pha molybdenum disulfide có điện trở trong quá trình chế tạo ở nhiệt độ cao.
Sự kết hợp các hiệu ứng này, cải thiện đáng kể chất lượng của lớp hấp thụ SnS, dẫn đến các hạt lớn hơn, đồng đều hơn, tăng cường khả năng vận chuyển và thu thập điện tích, làm giảm đáng kể tổn thất điện năng.
Việc triển khai lớp trung gian GeOx, làm cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi năng lượng, tăng từ 3,71% trong các thiết bị tiêu chuẩn lên mức ấn tượng 4,81%. Đây là một trong những hiệu suất cao nhất được ghi nhận đối với các pin mặt trời dựa trên SnS được sản xuất bằng phương pháp lắng đọng hơi. Nghiên cứu của họ công bố trên tạp chí Small.
Đáng chú ý, thiết kế giao diện vật liệu chính xác có ý nghĩa lớn ngoài lĩnh vực pin mặt trời. Ví dụ, giao diện kim loại/bán dẫn trong các bóng bán dẫn màng mỏng quyết định điện trở tiếp xúc và hiệu suất chuyển mạch. Tương tự, đặc tính giao diện thuận lợi rất cần thiết cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng trong thiết bị nhiệt điện, độ nhạy và truyền tải điện tích trong cảm biến, độ ổn định cơ học trong điện tử linh hoạt và hiệu suất trong thiết bị quang điện, thiết bị bộ nhớ.
