Với lượng khí thải carbon dioxide liên quan đến năng lượng toàn cầu đạt mức cao nhất mọi thời đại vào năm 2021, nhu cầu về năng lượng sạch đang trở nên cấp bách hơn bao giờ hết. Một trong những nguồn năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch là năng lượng mặt trời.

PGS Chao Chen thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Vũ Hán về Quang điện tử (WNLO) và Trường Thông tin Điện tử Quang học tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung, Trung Quốc cho biết, pin mặt trời được phát triển với nhiều loại vật liệu khác nhau, nhưng selen (Se) là một lựa chọn đáng cân nhắc.

Nhưng hiệu quả của vật chất bị hạn chế bởi nhiệt độ nóng chảy thấp và dải tần dưới mức tối ưu rộng, phạm vi không có trạng thái điện tử nào có thể tồn tại và thiếu lớp vận chuyển điện tử thích hợp. Nhưng Chen và các nhà nghiên cứu khác đã khắc phục những hạn chế này, hợp kim hóa selen với tellurium (Te), khiến pin mặt trời chứa selen có thể là một lựa chọn hấp dẫn hơn.

Nhóm nghiên cứu đã công bố kết quả của họ trên tạp chí Frontiers of Optoelectronics.

Theo  phân tích của các nhà nghiên cứu, dải băng tần tối ưu cho pin mặt trời một điểm nối là 1-1,5 eV, nhưng dải tần của Se khoảng 1,8 eV, rộng hơn mức lý tưởng để sử dụng trong pin mặt trời. Các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh pin mặt trời đến giá trị tối ưu của giới hạn Shockley-Queisser (1,36 eV), đây là hiệu suất lý thuyết tối đa của pin mặt trời một điểm nối bằng phương pháp ghép nối selen với Tellurium.

PGS Chen, tác giả của nghiên cứu cho biết: "Hợp kim selen với tellurium, có cấu trúc tinh thể giống nhau và có dải tần hẹp, có thể điều chỉnh dải tần và tăng điểm nóng chảy, từ đó mở rộng phổ hấp thụ và cải thiện chất lượng của màng pin mặt trời selen. Nhờ đó, hợp kim Se_(1-x) Te _x được kỳ vọng sẽ đạt được sự cải thiện về hiệu suất của pin mặt trời."

Các nhà nghiên cứu sử dụng oxit kẽm (ZnO) làm lớp vận chuyển điện tử trong quá trình chế tạo pin mặt trời vì sự liên kết vùng thích hợp và phản ứng nhẹ trên giao diện giữa oxit kẽm và selen/tellurium.

PGS Chen cho biết: “Kẽm oxit được chọn làm lớp vận chuyển điện tử sẽ phản ứng nhẹ với Se để tăng cường khả năng kết dính bề mặt và giảm những liên kết lơ lửng và do đó giảm các khuyết tật bề mặt. Sử dụng oxit kẽm là một trong những phần mới của nghiên cứu này, rút ra từ những phân tích mà các nhà nghiên cứu đã tiến hành trên một số khía cạnh nguyên tắc của pin mặt trời chứa selen.

Ông Chen nói: "Cơ chế tái kết hợp và loại khuyết tật của pin mặt trời hợp kim Se _{1 - x} Te_x được phân tích bằng những đặc trưng của cường độ ánh sáng phụ thuộc vào điện áp, điện dung - điện áp và độ thừa nhận phụ thuộc nhiệt độ sẽ giúp tối ưu hóa hơn nữa hệ thống hợp kim Se _{1 - x} Te_x “.

Sau khi chế tạo pin mặt trời selen - tellurium mới với các lớp vận chuyển điện tử oxit kẽm, các nhà khoa học trong thử nghiệm nhận thấy, vật liệu mới giữ được các đặc điểm tích cực của selen và có hệ số hấp thụ lớn và rất quang dẫn đồng thời tăng cường hiệu suất chuyển đối quang điện.

Sơ đồ cấu trúc của pin mặt trời ZnO / Se _0,7 Te _0,3 được lập biểu đồ để hiển thị đường cong JV, hoặc mối quan hệ dòng điện - điện áp, cho thấy pin mặt trời đạt hiệu suất vượt trội 1,85%. Ảnh: Jiajia Zheng et al

"Hiệu suất của pin mặt trời ZnO/Se_0,7 Te _0,3 tăng hơn gấp đôi sau 9 tháng hoạt động trong không khí", ông Chen nói. "ZnO / Se _0,7 Te _0,3 là mối nối ưu việt với khả năng kết hợp dải năng lượng và độ kết dính chặt chẽ, hiệu quả sơ bộ đạt được khoảng 1,85%."

Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm cách hoàn thiện quy trình chế tạo pin mặt trời và mở rộng quy mô công nghệ ra ngoài phòng thí nghiệp.

PGS Chen nhận định: "Bước nghiên cứu tiếp theo sẽ là chuẩn bị màng hợp kim Se _{1 - x} Te_x chất lượng cao, loại bỏ các lỗ và ô trống khuyết tật, v.v.Tối ưu hóa cấu trúc thiết bị bằng giải pháp thêm lớp vận chuyển lỗ, để nâng cao hơn nữa hiệu quả của pin mặt trời hợp kim Se _{1 - x} Te_x và hoàn thiện được quy trình sản xuất hàng loạt."