Các kỹ sư năng lượng, từ lâu nhắm đến pin mặt trời perovskite như một giải pháp thay thế rẻ hơn, hiệu quả hơn so với pin mặt trời silicon tiêu chuẩn. Vật liệu tinh thể này, như perovskite halide, hấp thụ ánh sáng tuyệt vời, chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng với hiệu suất ấn tượng.

Pin mặt trời perovskite cấu tạo như chiếc bánh sandwich, với lớp hấp thụ ánh sáng nằm giữa hai lớp giao diện. Nhưng chúng có một hạn chế lớn: tính không ổn định rất cao. Sự xuống cấp nhanh chóng của perovskite, khiến vật liệu này không khả thi về mặt thương mại so với tuổi thọ hàng chục năm của silicon tinh thể.

Trong nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu từ Đại học Purdue và Đại học Emory (Hoa Kỳ), giới thiệu phương pháp mới để ổn định perovskite halide, bằng cách sử dụng “chất lỏng ion” được chế tạo riêng. Chất lỏng ion này là các muối vẫn ở trạng thái lỏng, ngay cả ở nhiệt độ thấp và tương tác mạnh mẽ với các vật liệu khác.

Trong khi hầu hết nghiên cứu tập trung vào khắc phục khuyết tật ở bề mặt trên cùng, nghiên cứu mới này nhắm đến toàn bộ cấu trúc. Phương pháp này loại bỏ các khiếm khuyết bên trong phần thân chính (phần lớn) của vật liệu và lớp giao diện bị ẩn ở phía dưới thường bị bỏ qua, giúp pin ổn định từ trên xuống dưới.

Đặc biệt, nhóm nghiên cứu chế tạo loại keo hóa học công nghệ cao có tên MEM-MIM-Cl. Đó là chất lỏng ion, methoxyethoxymethyl-1-methylimidazole chloride (MEM-MIM-Cl), với chuỗi bên ethylene glycol ether, giúp điều chỉnh sự phát triển perovskite và ổn định lớp giao diện bị ẩn thông qua hiệp đồng tương tác.

Chất lỏng đặc chế này hoạt động như một phân tử vệ sĩ cho các tinh thể perovskite mỏng manh. Nó liên kết với các ion chì mang điện tích dương, lấp đầy những khoảng trống nhỏ nơi thiếu ion, và bảo vệ các giao diện bị ẩn thường bị bỏ qua bên trong cấu trúc pin mặt trời.

Khi trộn vào vật liệu perovskite thô, chất lỏng này thúc đẩy quá trình phát triển tinh thể chậm hơn nhưng hoàn hảo hơn. Nó cho phép hình thành các hạt lớn hơn, chất lượng cao hơn với ít khuyết tật hơn. Hơn nữa, chất lỏng di chuyển đến lớp giao diện phía dưới, hoạt động như lớp bảo vệ bịt kín, ngăn ngừa sự hình thành các khuyết tật tại giao diện giữa các lớp.

Để kiểm tra điều này, pin mặt trời cải tiến được đẩy đến giới hạn cực cao bằng cách tiếp xúc ánh sáng mặt trời mạnh, liên tục, ở nhiệt độ đến 90°C. Điều kiện này khắc nghiệt hơn nhiều so với điều kiện thử nghiệm thông thường. Tuy nhiên, pin mặt trời vẫn hoạt động tốt, đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng 25,9%, giữ được 90% hiệu suất ban đầu sau hơn 1.500 giờ.

Điều thú vị là kỹ thuật này tương thích với các quy trình sản xuất công nghiệp, có thể sản xuất hiệu quả tấm pin mặt trời lớn. Theo báo cáo, nhóm nghiên cứu đang tinh chỉnh thiết kế phân tử và sử dụng kỹ thuật hình ảnh tiên tiến để hiểu rõ hơn tương tác hóa học giữa chất lỏng ion và perovskite. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Energy.