Perovskite là loại vật liệu tinh thể đặc biệt, được biết đến với khả năng chuyển ánh sáng mặt trời thành điện năng. Chúng có tiềm năng tạo ra pin mặt trời nhẹ, giá thành thấp, có thể hoạt động tốt hơn các mô hình dựa trên silicon truyền thống.
Tuy nhiên, hầu hết perovskite đều dễ bị hỏng khi tiếp xúc với nhiệt, độ ẩm và ánh sáng mặt trời, hạn chế khả năng sử dụng của chúng. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Cornell giải quyết vấn đề này bằng cách tạo ra lớp perovskite hai chiều (2D) mới, đóng vai trò như lớp phủ bảo vệ cho pin mặt trời perovskite ba chiều (3D).
Các nhà nghiên cứu nhận thấy, bằng cách xếp lớp perovskite 2D này lên trên lớp perovskite 3D, có thể tăng đáng kể khả năng chống chịu của pin đối với điều kiện thời tiết, như nhiệt độ, độ ẩm, đồng thời tăng cường hiệu suất của pin. Trước đây, các nhà khoa học thử sử dụng hợp chất gọi là methylammonium (MA) để tạo ra lớp 2D.
Mặc dù perovskite gốc MA có hiệu quả tốt, nhưng chúng rất không ổn định và bắt đầu phân hủy chỉ sau vài trăm giờ tiếp xúc với ánh sáng mặt trời. Những nỗ lực thay thế MA bằng formamidinium (FA), hợp chất ổn định hơn, cũng gặp nhiều thách thức. Kích thước lớn hơn của FA tạo ra quá nhiều ứng suất trong vật liệu, khiến việc tạo ra lớp 2D ổn định trở nên khó khăn.
Nhóm nghiên cứu của Đại học Cornell khám phá ra giải pháp thông qua quy trình liên quan đến việc tìm ra sự phù hợp hoàn hảo giữa các cấu trúc perovskite 2D và 3D. Họ chọn các phân tử hữu cơ đặc biệt, được gọi là phối tử, có khả năng liên kết tự nhiên với lồng FA và cấu trúc tinh thể xung quanh.
Điều này cho phép các nhà nghiên cứu xây dựng lớp 2D ổn định, vừa khít với perovskite 3D, tránh được hiện tượng căng thẳng và mất ổn định thông thường. Trong nghiên cứu này, điều quan trọng là tìm ra chất phối tử không nén vật liệu quá nhiều, cho phép phân tử FA lớn hơn có thể vừa vặn thoải mái bên trong cấu trúc.
Sự cân bằng này tạo ra lớp phủ bảo vệ không chỉ chống lại sự phân hủy dưới ánh sáng mặt trời và nhiệt độ cao mà còn cải thiện dòng điện tích giữa hai lớp. Khi thử nghiệm, pin mặt trời “perovskite 2D-on-3D” mới, đạt tỉ lệ chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện ấn tượng là 25,3%. Ngay cả sau gần 50 ngày tiếp xúc với ánh sáng và nhiệt độ cao, các pin này chỉ mất 5% hiệu suất.
Mức độ ổn định và hiệu suất này đánh dấu bước tiến lớn cho công nghệ perovskite, vốn từ lâu phải vật lộn với các vấn đề về độ bền. Thiết kế sáng tạo này được trình bày trong nghiên cứu công bố trên tạp chí Joule ngày 9/5/2025.
