Một quy trình sử dụng giải pháp mới, đơn giản hơn chế tạo pin mặt trời perovskite ổn định khắc phục được nút thắt quan trọng để có thể đưa vào sản xuất quy mô lớn và thương mại hóa công nghệ năng lượng tái tạo đầy hứa hẹn, đang nằm ngoài tầm với trong hơn một thập kỷ qua.

 

Wanyi Nie, nhà khoa học nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ Nano Tích hợp tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, một tác giả của bài báo, xuất bản trên tạp chí Joule cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi mở đường cho sản xuất quy mô thương mại với chi phí thấp, cấp độ tự động hóa cao trong tương lai gần.

Ông nói: "Chúng tôi có thể chứng minh phương pháp tiếp cận bằng hai mô-đun nhỏ đạt đến cấp độ cao nhất trong chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện với thời gian hoạt động kéo dài hơn hẳn so với các loại pin mặt trời thông thường. Do quy trình chế tạo này dễ dàng và chi phí thấp, chúng tôi tin rằng phương pháp mới có thể dễ dàng điều chỉnh để sản xuất mở rộng trong lĩnh vực công nghiệp."

Nhóm nghiên cứu phát minh được phương pháp phủ spin một bước sử dụng sulfolane - một dung môi lỏng. Quy trình mới cho phép nhóm nhà khoa học, hợp tác giữa Los Alamos và các nhà nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Đài Loan (NTU), chế tạo các thiết bị quang điện diện tích lớn, năng suất cao, có hiệu quả cao trong việc chuyển hóa năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Những tế bào năng lượng mặt trời perovskite này vòng đời hoạt động lâu dài.

Giáo sư Leeyih Wang, nghiên cứu viên chính của nhóm NTU, một trong những tác giả bài báo cho biết: “Chúng tôi rất vui mừng về thành tựu đạt được, đây là một lộ trình tổng hợp mới, sẽ được áp dụng rộng rãi trong dòng vật liệu perovskite phong phú ”.

Hsin-Hsiang Huang, sinh viên đã tốt nghiệp tại NTU, tác giả của bài báo này, cho biết, "Chúng tôi đã triển khai hóa học mới để thúc đẩy nó hướng tới một cuộc trình diễn phù hợp về mặt công nghệ."

Tế bào quang điện vật liệu Perovskite là đối thủ cạnh tranh khả thi với tế bào quang điện vật liệu silicon quen thuộc trên thị trường trong nhiều thập kỷ, là một công nghệ mới được phát triển đầy mong đợi trong thập kỷ qua.

Việc thương mại hóa đã bị cản trở do thiếu giải pháp cho thách thức lớn của lĩnh vực này: mở rộng quy mô sản xuất các mô-đun pin mặt trời perovskite hiệu suất cao từ phòng thí nghiệm đến công xưởng nhà máy.

Công trình nghiên cứu đưa ra lộ trình mới để chế tạo pin điện mặt trời bằng giải pháp đưa sulfolane làm phụ gia trong tiền chất perovskite, hoặc vật liệu lỏng tạo ra tinh thể perovskite thông qua một phản ứng hóa học. Tương tự các phương pháp chế tạo khác, tinh thể đó sau đó được lắng đọng trên một chất nền.

Bằng phương pháp nhúng đơn giản, nhóm nghiên cứu có thể tạo một màng mỏng tinh thể perovskite đồng nhất, chất lượng cao bao phủ một vùng hoạt động lớn trong hai mô-đun nhỏ, một mô-đun 16 cm vuông và mô-đun kia gần 37 cm vuông. Chế tạo màng mỏng đồng nhất trên toàn bộ vùng hoạt động của mô-đun quang điện là yêu cầu quan trọng nhằm đảm bảo hiệu suất của thiết bị.

Tấm mô đun pin mặt trời Perovskite

Những mô-đun mini này đạt hiệu suất chuyển đổi điện năng theo thứ tự là 17,58% và 16,06%. Những thông số hiệu quả đó là một trong những hiệu quả cao nhất có thể đạt được cho đến nay. Hiệu suất chuyển đổi điện năng là thước đo mức độ hiệu quả của năng lượng ánh sáng mặt trời, chuyển đổi thành điện năng.

Với những phương pháp chế tạo perovskite, một trong những rào cản chính trong chế tạo quy mô công nghiệp là cửa sổ xử lý rất hẹp, đó là khoảng thời gian mà màng có thể được phủ trên bề mặt mô đun quang điện.

Để có được một màng tinh thể đồng nhất liên kết tốt với lớp bên dưới, quá trình lắng đọng phải được kiểm soát chặt chẽ chỉ trong vòng vài giây.

Sử dụng sulfolane làm chất phụ trợ trong tiền chất perovskite mở rộng thời gian xử lý từ 9 giây lên 90 giây để tạo thành các lớp kết tinh cao trên diện tích lớn và ít phụ thuộc vào những điều kiện sản xuất.

Phương pháp sử dụng chất phụ gia sulfolan dễ dàng thích hợp với những kỹ thuật chế tạo công nghiệp hiện có, giúp cánh cửa cho việc sản xuất quy mô lớn để thương mại hóa.

Perovskite là bất kỳ vật liệu nào có cấu trúc tinh thể tương tự như khoáng chất perovskite. Nhờ cấu trúc đặc biệt này, Perovskites có thể được sử dụng để thiết kế và chế tạo những màng cực mỏng, hữu ích cho các tế bào quang điện mặt trời.

Đầu tư: Một phần công việc này được thực hiện tại Trung tâm Công nghệ Nano Tích hợp, Văn phòng Người dùng Khoa học được điều hành bởi Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos (LANL) cho Văn phòng Khoa học  của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) (Hợp đồng 89233218CNA000001). Công trình nghiên cứu do Shreetu Shrestha và Wanyi Nie thực hiện được sự hỗ trợ bởi chương trình LANL-LDRD Hsinhan Tsai nhận sự hỗ trợ tài chính từ Quỹ Học bổng Postdoc Xuất sắc của J. Robert Oppenheimer (JRO) tại LANL.