Một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Hàn Quốc, Đại học Toledo và Đại học quốc gia Seoul vừa chế tạo loại pin mặt trời perovskite ba chiều (3D), hiệu suất chuyển đổi năng lượng trên 26%, tuổi thọ hơn 24.000 giờ trong điều kiện thử nghiệm ở phòng thí nghiệm. Perovskite halide, loại vật liệu trước đây rất khó chế tạo, được sử dụng trong công trình của họ.
Khi các pin mặt trời dựa trên silicon đạt đến tiềm năng tối đa về chuyển đổi năng lượng, các nhà khoa học đã chuyển sự chú ý sang perovskite, vật liệu cho thấy không chỉ đem lại hiệu suất cao hơn mà còn tiết kiệm chi phí hơn. Mặc dù pin mặt trời dựa trên perovskite có nhiều cải tiến để thương mại hóa, nhưng chúng vẫn gặp vấn đề về tính ổn định để sử dụng lâu dài.
Để giải quyết rào cản về cấu trúc trong perovskite, nhóm nghiên cứu dùng perovskite halide hai chiều (2D) có dải năng lượng rộng. Vật liệu này có thể hấp thụ ánh sáng có năng lượng cao hơn, như ánh sáng xanh lam hay tia cực tím, nhưng không hấp thụ ánh sáng có năng lượng thấp hơn, như ánh sáng đỏ hay tia hồng ngoại. Trong nghiên cứu trước đó, nhóm nghiên cứu phát triển một phương pháp không cần hóa chất để tạo mối nối 2D/3D.
Bằng cách tác dụng nhiệt và áp suất lên màng 2D tiếp xúc với màng 3D, các nhà nghiên cứu tạo ra lớp tinh thể 2D trên bề mặt 3D. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã tìm cách hiểu các thông số này, như chiều dài chuỗi carbon của cation hữu cơ trong perovskite halide 2D, ảnh hưởng đến sự phát triển của màng, nhưng họ đã phát hiện ra điều mà không ngờ tới.
Nhóm nghiên cứu nhận thấy, chỉ cần đưa vật liệu 2D và 3D tiếp xúc với nhau, đã làm thay đổi các đặc tính quang học của lớp 3D, như khả năng phát quang, ngay cả khi không có nhiệt hoặc áp suất. Điều thú vị là những thay đổi này có thể đảo ngược và phụ thuộc mạnh mẽ vào cation hữu cơ, theo các nhà nghiên cứu.
Các nhà nghiên cứu giả thuyết, việc thêm xử lý nhiệt vào hai lớp màng tiếp xúc nhau có thể dẫn đến sự biến đổi cấu trúc trong lớp 3D. Để chứng minh điều này, nhóm nghiên cứu áp dụng cách này vào các màng perovskite FAPbI₃, thường có sự kết tinh không hoàn hảo. Giả thuyết của họ được chứng minh là đúng khi các màng đạt các thông số mạng tinh thể rất gần với các giá trị lý thuyết mà nhóm nghiên cứu tính toán.
Nhóm nghiên cứu đã tích hợp lớp màng perovskite của họ vào pin mặt trời thông thường và nhận thấy hiệu suất được cải thiện lên 26,25%. Mặc dù các pin mặt trời dựa trên perovskite thường gặp phải các thách thức về độ bền, nhưng pin perovskite cải tiến này đã chứng minh tuổi thọ hoạt động là 24.000 giờ trong điều kiện thử nghiệm tăng tốc.
Quy trình tiếp xúc màng 2D/3D này có khả năng mở rộng để sản xuất. Nhóm nghiên cứu hiện đang tập trung áp dụng phương pháp này cho các pin mặt trời perovskite song song, trong đó lớp perovskite có dải năng lượng thấp cần được lắng đọng trên lớp có dải năng lượng rộng ở nhiệt độ thấp. Nghiên cứu này được đăng trên tạp chí Nature Energy.
