Các nhà nghiên cứu từ Trung tâm điện tử và công nghệ vi mô Thụy Sĩ (CSEM) và Trường bách khoa Liên bang ở Lausanne (EPFL) tuyên bố đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời ba lớp vượt quá 30%. Thiết bị này gồm một lớp silicon ở dưới cùng, lớp ở giữa và trên cùng làm từ vật liệu perovskite.
Thiết bị mới này đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng 30,02%, được chứng nhận độc lập bởi Viện công nghệ thông tin và hệ thống vi mô Thượng Hải (SIMIT) của Trung Quốc, vượt qua kỷ lục trước đó là 27,1% do một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Đại học quốc gia Singapore (NUS) thiết lập.
Tác giả chính của nghiên cứu, Kerem Artuk, cho biết thành tựu này cho thấy cách các vật liệu tiên tiến và kỹ thuật quang học có thể tạo ra hiệu suất và điện áp tương đương pin mặt trời sử dụng trong các ứng dụng không gian, nhưng với chi phí thấp hơn nhiều. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature.
Nhóm nghiên cứu chứng minh với thiết kế và quy trình chế tạo thông minh, có thể đạt hiệu suất gần bằng các pin mặt trời đa lớp III-V đắt tiền, sử dụng trong không gian, vốn được chế tạo từ nhiều lớp bán dẫn, theo Kerem Artuk. Phương pháp của nhóm nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho thế hệ pin mặt trời đa lớp hiệu suất cao, khả thi về mặt công nghiệp.
Các nhà nghiên cứu giải quyết hai thách thức lớn trong pin mặt trời ba lớp: điện áp thấp ở lớp perovskite trên cùng và dòng điện thấp tạo ra ở lớp giữa. Họ giải quyết các thách thức này thông qua ba cải tiến quan trọng về vật liệu và thiết kế quang học của thiết bị.
Đầu tiên, họ thêm vào phân tử hỗ trợ sự phát triển tinh thể perovskite và loại bỏ các khuyết tật, giúp lớp trên cùng đạt điện áp cao (1,4V) dưới ánh sáng mặt trời. Thứ hai, họ thiết lập quy trình ba bước để chế tạo lớp giữa, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng cận hồng ngoại của quang phổ mặt trời. Cuối cùng, họ thêm các hạt nano oxit silic giữa lớp silicon dưới cùng và lớp perovskite ở giữa để phản xạ thêm ánh sáng mặt trời trở lại lớp giữa, giúp tăng cường dòng điện hơn nữa.
Cả perovskite và silicon đều có chi phí sản xuất rẻ hơn so với pin mặt trời bán dẫn III-V hiệu quả nhất hiện nay, vốn dựa vào các vật liệu đắt tiền và chủ yếu sử dụng để cung cấp năng lượng cho vệ tinh. Việc phát triển pin mặt trời đạt hiệu suất cao với chi phí thấp hơn, mở ra hướng phát triển các công nghệ năng lượng mặt trời thế hệ tiếp theo, ứng dụng ở cả quy mô tiện ích và dân dụng.
Hiệu suất cao hơn làm giảm số lượng tấm pin cần thiết để đạt được cùng sản lượng. Nó cũng cải thiện lợi nhuận cho cả dự án trên mái nhà và quy mô tiện ích. Nhóm nghiên cứu đang dự kiến tập trung vào thử nghiệm độ bền và tích hợp vào sản phẩm thương mại để sản xuất quy mô lớn. Nếu các nỗ lực đó thành công, thành tựu này có thể dẫn đến việc ứng dụng thực tế sớm hơn dự kiến.
