Pin mặt trời perovskite thiếc-chì với hiệu suất 24,07%

Các nhà nghiên cứu từ Đại học East China Normal và Đại học Linköping của Thụy Điển phát triển một phương pháp thụ động hóa cho pin mặt trời perovskite thiếc-chì (Sn-Pb), giúp cải thiện cả hiệu suất và độ ổn định bằng cách không dùng thiếc fluoride (SnF₂). Phương pháp này kết hợp sau xử lý bằng chì fluoride (PbF₂) với bột chì trong tiền chất.

Nhóm nghiên cứu đã xác định và làm sáng tỏ một yếu tố chưa được nhận biết trước đây, đã gây ra sự mất ổn định quang nhiệt của pin mặt trời perovskite Sn-Pb. Nghiên cứu chỉ ra rằng, các “phản ứng ký sinh” của SnF₂ gây ra sự phân hủy perovskite và sự xuống cấp của các lớp chức năng trong thiết bị.

Trong khi perovskite Sn-Pb có độ ổn định thấp hơn đáng kể so với perovskite chỉ chứa Pb thường được cho là do quá trình oxy hóa ion thiếc(II) (Sn²⁺) thì các phương pháp chống oxy hóa đơn thuần không mang lại sự cải thiện đáng kể về độ bền quang nhiệt. Nghiên cứu này chỉ ra nguyên nhân cơ bản và đề xuất giải pháp thay thế hiệu quả.

Để tránh các tác động bất lợi của SnF₂ đối với độ ổn định và vận chuyển lỗ trống, nhóm nghiên cứu thay thế chất phụ gia SnF₂ bằng bột chì, được biết đến với tác dụng chống oxy hóa và điều chỉnh kết tinh như đã báo cáo trong công trình trước đây của nhóm, để loại bỏ Sn⁴⁺ khỏi tiền chất, kết hợp với xử lý hậu kỳ bằng PbF₂ để làm giảm các khuyết tật bề mặt.

Pin mặt trời thử nghiệm Sn-Pb có diện tích 0,09 cm2. Cấu trúc cơ bản như sau: chất nền indium thiếc oxide (ITO), lớp P3CT-Cs, perovskite, chì fluoride, lớp vận chuyển điện tử (ETL) dựa trên buckminster fullerene (C60), bathocuproine (BCP), lithium fluoride cách điện (LiF), và các tiếp điểm đồng (Cu).

Chiến lược này cho phép hiệu suất của pin mặt trời perovskite thiếc-chì không chứa SnF₂ đạt 24,07% so với 16,43% của thiết bị đối chứng. Về độ ổn định quang nhiệt, pin không có chất phụ gia SnF₂ vẫn giữ lại 60% hiệu suất ban đầu sau khi hoạt động liên tục ở 85°C trong điều kiện điểm công suất tối đa (MPP) trong 550 giờ.

Tác động tiêu cực của SnF₂ được thể hiện rõ trong quá trình thử nghiệm. Chẳng hạn, các nhà nghiên cứu lưu ý rằng cả điện cực Cu và ITO đều có phản ứng ngay cả ở nhiệt độ phòng hoặc không cần chiếu sáng, cho thấy khả năng ăn mòn của các ion di chuyển và các sản phẩm phản ứng.

Theo các nhà khoa học, quá trình chế tạo đòi hỏi độ chính xác cao nhưng khá đơn giản. Vật liệu perovskite chứa thiếc yêu cầu môi trường được kiểm soát cẩn thận với nồng độ oxy cực thấp, nhiệt độ tạo màng và các thông số xử lý liên quan phải được điều chỉnh tinh tế khi sử dụng SnI₂ có độ tinh khiết cao. Mặc dù vậy, việc chế tạo thiết bị vẫn khá đơn giản.

Các nhà khoa học kết luận, công trình này có ý nghĩa quan trọng trong việc khắc phục các nút thắt về độ ổn định của pin mặt trời đơn lớp Sn-Pb và pin mặt trời song song toàn perovskite. Công trình nghiên cứu của họ được mô tả trong bài báo “Pin mặt trời perovskite thiếc-chì hiệu quả và bền bỉ, không chứa thiếc fluoride”, đăng trên tạp chí Nature Communications.