Pin mặt trời perovskite (PSC) từ lâu được xem là công nghệ thú vị nhất trong lĩnh vực năng lượng sạch. Chúng mỏng, nhẹ và rẻ hơn nhiều so với silicon. Trong phòng thí nghiệm, chúng có thể cạnh tranh với các pin mặt trời silicon tốt nhất, chuyển đổi hơn 26% ánh sáng mặt trời thành điện năng.
Tuy nhiên, có một nhược điểm với perovskite khiến chúng chưa được ứng dụng phổ biến trong thực tế. Chúng bị hỏng quá nhanh do oxy bị mắc kẹt bên trong, từ từ phá hủy tinh thể perovskite, khiến việc hoạt động lâu dài trở nên không khả thi.
Mới đây, một nghiên cứu mới đề xuất giải pháp sáng tạo cho vấn đề này, lấy cảm hứng từ sinh học biển. Bằng cách chèn một lớp taurine cực nhỏ (chất chống oxy hóa tự nhiên có trong bạch tuộc và mực), họ đã chỉ ra cách PSC có thể tự bảo vệ mình, tránh hỏng bởi oxy.
Vấn đề tiềm ẩn lớn nhất trong PSC là oxy, một trong những yếu tố gây hại nhất của chúng. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào lớp perovskite, nó tạo ra các electron năng lượng cao. Các electron này có thể phản ứng với các phân tử oxy, tạo thành các gốc superoxide - chất hóa học có tính phản ứng cao, phá vỡ các phân tử hữu cơ giữ cho tinh thể liên kết với nhau.
Sự hư hỏng này thường bắt đầu ở giao diện nằm sâu bên trong pin, nơi perovskite tiếp xúc với lớp thiếc dioxide, giúp kéo các electron ra dưới dạng dòng điện hữu ích. Việc đóng gói - niêm phong thiết bị khỏi không khí - có thể giúp ích, nhưng không cung cấp sự bảo vệ hoàn toàn.
Điều này là do PSC được chế tạo trong không khí bình thường, khiến oxy bị giữ lại bên trong pin ngay từ đầu. Đã vậy, bản thân thiếc dioxide chứa các khuyết tật liên quan đến oxy trên bề mặt của nó. Dưới tác động của ánh sáng và nhiệt, các oxy này di chuyển vào perovskite, gây ra sự xuống cấp từ bên trong. Không có lớp bịt kín bên ngoài nào có thể ngăn chặn điều đó.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu từ Viện khoa học và công nghệ Daegu Gyeongbuk và Viện khoa học và công nghệ Hàn Quốc đã đặt một lớp taurine siêu mỏng ngay tại vị trí giao diện dễ bị tổn thương này. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials.
Taurine là một axit amin chứa lưu huỳnh, được biết đến nhiều với khả năng bảo vệ các mô sống khỏi tổn thương do oxy hóa. Các nhà nghiên cứu tìm hiểu xem liệu nó có thể đóng vai trò bảo vệ tương tự, bên trong pin mặt trời hay không. Các thí nghiệm và mô phỏng trên máy tính của họ đã tiết lộ một chu trình bảo vệ hai bước.
Đầu tiên, taurine bắt giữ các gốc superoxide ngay khi chúng hình thành trên bề mặt thiếc dioxide. Taurine mang cả điện tích dương và âm ở các phần khác nhau của phân tử, cấu trúc được gọi là zwitterion. Điều này cho phép nó bẫy superoxide bằng lực tĩnh điện. Nguyên tử hydro từ taurine, sau đó chuyển đổi superoxide thành hydro peroxide, chất này ít gây hại hơn nhiều.
Bước thứ hai giải quyết vấn đề phát sinh sau đó. Hydro peroxide có thể phản ứng với iốt (iodine) được tạo ra khi perovskite bắt đầu phân hủy. Iodine này thường tạo thành triiodide, một hợp chất làm tăng tốc độ hư hại hơn nữa trong một vòng luẩn quẩn không kiểm soát.
Taurine làm gián đoạn chu trình này bằng cách chuyển đổi iodine trở lại thành các ion iodide vô hại. Hơn nữa, các phản ứng hóa học tái tạo taurine trở lại trạng thái ban đầu, cho phép nó tiếp tục trung hòa các gốc tự do hết lần này đến lần khác, thay vì bị tiêu hao.
Phân tích hiển vi đã xác nhận hiệu quả này. Các mẫu không được xử lý đã phát triển các lỗ hổng rõ rệt ở giao diện bên trong sau khi tiếp xúc với ánh sáng. Còn các mẫu xử lý bằng taurine cho thấy các lớp màng sạch sẽ, nguyên vẹn. Phân tích hóa học cho thấy, các màng không được xử lý bị hư hại nghiêm trọng do oxy, trong khi các màng được xử lý không bị ảnh hưởng.
Dưới ánh sáng cực tím mạnh và ozone, các màng được bảo vệ bằng taurine vẫn giữ cấu trúc perovskite ban đầu gấp khoảng bảy lần sau 90 phút. Taurine cũng cải thiện hiệu suất theo những cách kín đáo hơn. Nó liên kết với cả hai vật liệu mà nó nằm giữa, làm giảm các khuyết tật nhỏ khiến giữ lại điện tích.
Điều này làm giảm ngưỡng điện áp liên quan đến khuyết tật từ 0,85 xuống 0,50 volt, tăng gần gấp đôi độ linh động của electron trong lớp thiếc dioxide và tăng gần gấp đôi tuổi thọ của các hạt mang điện. Thiết bị tốt nhất đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 24,8%, với điện áp mạch hở là 1,18 volt, hệ số lấp đầy cao là 83,7%.
Các tác giả nghiên cứu lưu ý, giao diện được bao phủ bởi taurine cho phép cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng, với điện áp mạch hở và hệ số lấp đầy tăng lên, đồng thời tăng cường đáng kể khả năng hấp thụ ánh sáng và độ ổn định hoạt động của pin mặt trời perovskite.
Nghiên cứu này cho thấy, độ bền không thể giải quyết chỉ bằng phương pháp đóng gói. Các phản ứng do oxy gây ra tại các giao diện nằm sâu bên trong cần phải được kiểm soát trực tiếp, và nghiên cứu này chứng minh một cách thực tiễn để làm điều đó.
Việc kiểm soát đó mang lại những lợi ích rõ rệt. Các thiết bị được xử lý bằng taurine giữ lại 80% hiệu suất ban đầu sau 130 giờ hoạt động trong không khí, lâu hơn gấp 5 lần so với các pin không được xử lý, đồng thời duy trì hiệu suất 97% sau 450 giờ ở 65°C, mà không làm giảm hiệu năng.
Thách thức hiện nay là quy mô và thời gian. PSC phải hoạt động trong nhiều năm, chứ không phải vài tháng, việc sản xuất ở quy mô lớn sẽ tạo ra những áp lực mới. Nếu mở rộng thành công, phương pháp này có thể giúp đưa perovskite từ thiết bị phòng thí nghiệm hiệu suất cao thành công nghệ năng lượng mặt trời bền vững, phù hợp cho việc triển khai thực tế.
