Các nhà khoa học Trung Quốc đã đạt cột mốc quan trọng về hiệu suất của pin mặt trời song song hoàn toàn perovskite sau khi phát triển một phương pháp mới để kiểm soát quá trình kết tinh của vật liệu này trong quá trình sản xuất.
Nhóm nghiên cứu từ Viện công nghệ và kỹ thuật vật liệu Ningbo, thuộc Viện hàn lâm khoa học Trung Quốc (CAS) đã đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời song song perovskite được chứng nhận là 30,3% đối với phiên bản cứng và 28% trong phiên bản dẻo, linh hoạt.
Các nhà nghiên cứu tin rằng, thành tựu này có thể đẩy nhanh sự phát triển các công nghệ năng lượng mặt trời hiệu suất cao, nhẹ hơn, rẻ hơn, cải thiện độ bền trong cả thiết bị cứng và linh hoạt, đồng thời có khả năng mở rộng quy mô sản xuất hơn so với tấm pin silicon truyền thống.
Pin mặt trời song song toàn perovskite được coi là một trong những công nghệ quang điện triển vọng, vì chúng có thể thu nhận ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn so với pin mặt trời đơn lớp thông thường. Chúng cũng có thể sản xuất bằng quy trình xử lý với dung dịch ở nhiệt độ thấp, có khả năng giảm chi phí sản xuất.
Tuy nhiên, quá trình kết tinh không đồng bộ là một trong những thách thức lớn nhất ở lớp màng perovskite đa thành phần. Trong quá trình sản xuất, các phần khác nhau của lớp màng thường kết tinh với mức độ khác nhau, tạo ra các khuyết tật cấu trúc và sự không nhất quán về thành phần, làm giảm hiệu suất và độ ổn định lâu dài.
Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu tạo ra phương pháp thiết kế bổ sung dựa trên lý thuyết axit-bazơ cứng-mềm, lý thuyết này dự đoán cách axit và bazơ tương tác với nhau. Họ đưa chất phụ gia được lựa chọn cẩn thận vào cả lớp perovskite có dải năng lượng rộng và dải năng lượng hẹp để đồng bộ hóa quá trình hình thành và phát triển tinh thể.
Nhóm nghiên cứu sử dụng chất phụ gia difluoro(oxalato)borate (DFOB⁻) cho lớp perovskite có dải năng lượng rộng và tetrafluoroborate (BF4⁻) cho lớp có dải năng lượng hẹp. Cách này không chỉ ngăn chặn sự phân bố pha thẳng đứng không đồng đều mà còn cải thiện tính đồng nhất của màng trên toàn bộ thiết bị.
Các phân tích cấu trúc và quang học cho thấy, phương pháp này thúc đẩy sự phát triển tinh thể perovskite đồng nhất và ngăn ngừa sự phân bố lại halogen. Điều này thường gây ra các khuyết tật và tích tụ ứng suất bên trong các tấm pin mặt trời.
Các cải tiến này cũng giúp tăng hiệu suất tổng thể của thiết bị song song perovskite. Hiệu suất của các tấm pin perovskite có dải năng lượng rộng tăng từ 18,5% lên 20,1%, trong khi các tấm pin có dải năng lượng hẹp cải thiện từ 21,6% lên 23,3%.
Hơn nữa, khi được tích hợp vào cấu trúc song song hai cực nguyên khối, tấm pin song song cứng được tối ưu hóa đạt hiệu suất cực đại là 30,3%, điện áp mạch hở là 2,16 V, hệ số lấp đầy 85,2%. Bên cạnh đó, tấm pin song song linh hoạt cũng cho kết quả khả quan. Chúng đạt hiệu suất 28,2%, với giá trị được chứng nhận là 28,0%.
Các tấm pin này cũng thể hiện độ ổn định hoạt động cao. Đây là yếu tố quan trọng và then chốt nhất đối với việc ứng dụng thương mại pin mặt trời perovskite. Thiết bị cứng được tối ưu hóa duy trì 92% hiệu suất ban đầu sau 1.000 giờ theo dõi điểm công suất tối đa. Còn thiết bị song song linh hoạt duy trì 95,2% hiệu suất ban đầu sau 10.000 chu kỳ uốn cong.
Kết quả nghiên cứu làm nổi bật tiềm năng của pin mặt trời perovskite trong các thiết bị điện tử đeo được và các ứng dụng năng lượng mặt trời linh hoạt. Công trình nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology.
