Nhóm nghiên cứu tại Đại học New South Wales (UNSW) đã thiết lập một chuẩn mực hiệu suất mới cho pin mặt trời antimony chalcogenide, đạt hiệu suất được chứng nhận là 10,7%, kết quả được xác minh độc lập cao nhất từ trước đến nay trên toàn cầu.
Bên cạnh kết quả kỷ lục, các nhà nghiên cứu cũng xác định được cơ chế hóa học quan trọng làm nền tảng cho quá trình chế tạo, cung cấp những hiểu biết quan trọng có thể đẩy nhanh hơn nữa những cải tiến về hiệu suất, chi phí và độ bền.
Các nhà nghiên cứu tại UNSW coi pin mặt trời song song là bước tiến lớn tiếp theo trong công nghệ quang điện, có tiềm năng nâng cao đáng kể hiệu suất tấm pin mặt trời trong tương lai. Thiết kế song song (tandem), cho phép mỗi lớp hấp thụ các phần khác nhau của quang phổ mặt trời, tạo ra nhiều điện năng hơn so với các pin đơn lớp thông thường.
Một thách thức quan trọng đối với các nhà khoa học là xác định các vật liệu phù hợp cho lớp trên cùng, có thể kết hợp hiệu quả với công nghệ silicon đang chiếm ưu thế hiện nay. Trong đó, antimony chalcogenide đang nổi lên như loại vật liệu đầy triển vọng cho vai trò này.
Antimony chalcogenide được cấu tạo từ các nguyên tố dồi dào, giá rẻ, giúp tránh phụ thuộc các nguồn tài nguyên khan hiếm hoặc đắt tiền sử dụng trong một số công nghệ năng lượng mặt trời hiệu suất cao. Bản chất vô cơ của nó cũng mang lại sự ổn định cao hơn, giảm nguy cơ xuống cấp lâu dài.
Ngoài ra, antimony chalcogenide có hệ số hấp thụ ánh sáng cao, nghĩa là các lớp mỏng có thể thu ánh sáng mặt trời một cách hiệu quả. Vật liệu này cũng có thể được lắng đọng ở nhiệt độ tương đối thấp, giảm nhu cầu năng lượng trong sản xuất và hỗ trợ sản xuất quy mô lớn, tiết kiệm chi phí.
Mặc dù có các đặc tính đầy hứa hẹn, nhưng việc phát triển pin mặt trời antimony chalcogenide khá chậm trong vài năm qua, hiệu suất không vượt quá 10% kể từ năm 2020. Các nhà nghiên cứu cho rằng, trở ngại chính là cách thức hình thành vật liệu trong quá trình sản xuất. Hai nguyên tố chính, lưu huỳnh và selenium, phân bố không đều trong quá trình lắng đọng lớp hấp thụ năng lượng mặt trời, điều này làm hạn chế hiệu suất.
Bố cục không đồng đều này tạo ra rào cản năng lượng bên trong pin mặt trời, cản trở dòng điện tích được tạo ra bởi ánh sáng mặt trời. Kết quả là phần lớn điện tích bị mất trước khi có thể được thu thập và chuyển đổi thành điện năng sử dụng. Bằng cách xác định vấn đề cơ bản này, các nhà nghiên cứu đã có thể nhắm vào nguyên nhân gốc rễ của tình trạng hiệu suất trì trệ kéo dài.
Bước đột phá đến từ việc đưa một lượng nhỏ natri sunfua vào trong quá trình chế tạo. Việc bổ sung này đã ổn định các phản ứng hóa học liên quan đến việc hình thành lớp hấp thụ, dẫn đến sự phân bố lưu huỳnh và selenium đồng đều hơn. Khi rào cản bên trong giảm đi, điện tích có thể di chuyển tự do hơn bên trong vật liệu, cải thiện đáng kể hiệu suất.
Sử dụng phương pháp này, pin mặt trời được cải tiến đạt hiệu suất 11,02% ở thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, và kết quả chứng nhận độc lập là 10,7%. Mặc dù cần nghiên cứu thêm để giảm thiểu các khuyết tật trong vật liệu, nhưng các nhà nghiên cứu cho rằng, các khuyết tật này có thể khắc phục thông qua các kỹ thuật thụ động hóa hóa học đã được tạo ra.
Ngoài pin mặt trời song song, antimony chalcogenide còn mở ra một loạt ứng dụng mới. Đặc tính cực mỏng và bán trong suốt của nó phù hợp với cửa sổ năng lượng mặt trời trong suốt và màng năng lượng mặt trời trên cửa sổ. Vật liệu này cũng hoạt động tốt dưới ánh sáng trong nhà, có thể ứng dụng cho các thiết bị tiêu thụ điện thấp như thẻ thông minh, cảm biến, màn hình e-paper, các thiết bị kết nối, nơi độ ổn định và hiệu suất trong điều kiện ánh sáng yếu là rất quan trọng.
