Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng sạch quan trọng. Điều đó khiến các nhà khoa học không ngừng tìm kiếm các phương pháp mới để tấm pin mặt trời sản xuất điện hiệu quả hơn, giá cả phải chăng hơn.

Một trong các công nghệ đầy hứa hẹn nhất là pin mặt trời song song perovskite-silicon, kết hợp hai loại vật liệu hấp thụ ánh sáng khác nhau để thu được nhiều năng lượng hơn từ ánh sáng mặt trời, so với tấm pin silicon truyền thống.

Mới đây, các nhà nghiên cứu từ Viện công nghệ Karlsruhe và Đại học Valencia vừa phát triển một phương pháp mới, có thể đưa tấm pin mặt trời tiên tiến này đến gần hơn với sản xuất công nghiệp ở quy mô lớn. Kết quả nghiên cứu của họ được đăng trên tạp chí Nature Energy.

Tấm pin mặt trời song song perovskite-silicon hoạt động bằng cách phân tách ánh sáng mặt trời thành các dải năng lượng khác nhau. Lớp trên cùng bằng perovskite, hấp thụ ánh sáng xanh lam và tia cực tím có năng lượng cao; lớp silicon bên dưới thu nhận ánh sáng đỏ và tia hồng ngoại có năng lượng thấp hơn.

Bằng cách này, hai lớp có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành nhiều điện năng hơn so với tấm pin silicon thông thường. Tấm pin song song này có thể đạt hiệu suất rất cao, nhưng việc sản xuất chúng trên quy mô lớn vẫn gặp nhiều khó khăn. Một vấn đề lớn là làm sao phủ đều và nhanh lớp perovskite cực mỏng lên bề mặt silicon.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu cải tiến một quy trình gọi là chuyển nhiệt ở không gian hẹp (CSS). Ở phương pháp này, các vật liệu tiền chất rắn được nung nóng cho đến khi bay hơi. Hơi sau đó chỉ di chuyển một quãng đường rất ngắn trước khi lắng xuống bề mặt silicon, nơi nó phản ứng để tạo thành lớp perovskite.

Không giống như nhiều phương pháp hiện có, quy trình CSS không cần dung môi lỏng. Điều này làm cho quy trình sạch hơn và có khả năng tiết kiệm chi phí hơn. Nó cũng sử dụng ít vật liệu hơn và cho phép một số thành phần được tái sử dụng.

Theo các nhà nghiên cứu, quá trình này diễn ra nhanh đến mức đáng ngạc nhiên. Lớp perovskite được hình thành hoàn toàn chỉ trong 10 phút, đây được coi là một bước tiến lớn đối với kỹ thuật sản xuất dựa trên chân không.

Một thách thức quan trọng khác là kiểm soát “dải năng lượng” của lớp perovskite. Dải năng lượng quyết định phần nào của ánh sáng mặt trời mà vật liệu hấp thụ. Để tấm pin song song hoạt động hiệu quả, lớp trên cùng phải chỉ hấp thụ một số bước sóng nhất định, trong khi cho phép các bước sóng khác đi qua lớp silicon bên dưới.

Các nhà nghiên cứu đã điều chỉnh thành phần hóa học, bằng cách trộn hai hợp chất hữu cơ chứa iốt và brom. Điều này cho phép họ tinh chỉnh vật liệu và đạt được dải năng lượng mong muốn là 1,64 electronvolt.

Nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm quy trình này trên các bề mặt silicon khác nhau, gồm các thiết kế nhẵn, có cấu trúc nano, cấu trúc vi mô thường dùng trong pin mặt trời thương mại. Đáng chú ý, cùng một quy trình như nhau, đều hoạt động tốt trên mọi bề mặt mà không cần điều chỉnh lớn.

Tấm pin song song hoàn thiện đạt hiệu suất từ ​​23,5% đến 24,3%, tùy thuộc cấu trúc bề mặt. Quan trọng hơn, lớp perovskite vẫn giữ độ mịn và đồng nhất trên tất cả thiết kế. Các nhà nghiên cứu tin rằng, đây là một bước quan trọng hướng tới sản xuất hàng loạt tấm pin mặt trời thế hệ mới, vừa có hiệu suất cao, vừa dễ sản xuất.