Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia (NIMS) Nhật Bản phát triển một tế bào pin mặt trời perovskite độ bền cao 1cm2, có khả năng sản xuất điện trong hơn 1.000 giờ liên tục với hiệu suất chuyển đổi quang điện (tức là hiệu suất phát điện) hơn 20% khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.

Tế bào pin mặt trời này được chế tạo trên bề mặt vật liệu nhựa ở nhiệt độ xấp xỉ 100 ° C, nên kỹ thuật này có thể được sử dụng để phát triển pin mặt trời nhẹ, đa năng.

Pin mặt trời là một thành phần quan trọng của các chiến lược phát triển năng lượng xanh khử cacbon, phát triển pin mặt trở thành chủ đề cho những nỗ lực nghiên cứu trên toàn cầu. Pin mặt trời Perovskite là một công nghệ pin mặt trời thế hệ tiếp theo đầy hứa hẹn vì có thể được sản xuất dễ dàng hơn, với chi phí thấp hơn so với pin mặt trời thông thường. Nhược điểm của pin mặt trời perovskite là dễ bị phân hủy khi phản ứng với các phân tử nước và khó có thể đạt được 2 yếu tố vừa có độ bền lại vừa hiệu quả cao.

Hầu hết các pin mặt trời perovskite đều có cơ chế phát điện tương tự như nhau. Khi lớp perovskite hấp thụ ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra các điện tử và lỗ trống (ion+). Những điện tử và lỗ trống này sau đó di chuyển riêng rẽ vào lớp vận chuyển điện tử liền kề và lớp vận chuyển lỗ trống và tạo ra dòng điện.

Để đồng thời tăng cường hiệu quả và độ bền của pin mặt trời perovskite, những lớp vận chuyển này và mặt phân cách lớp cần cho phép các điện tử và lỗ trống di chuyển qua tự do hơn nhưng phải làm cho các bề mặt không thấm phân tử nước.

Nhóm nhà khoa học NIMS đã thụ động hóa lớp vận chuyển điện từ bằng cách thêm một dẫn xuất hydrazine chứa các nguyên tử flo không thấm nước (5F-PHZ) vào mặt phân cách giữa lớp vận chuyển điện tử và lớp perovskite (bao gồm cấu trúc tinh thể FA_0,84 Cs _0,12 Rb_0,04 PbI₃, được biểu thị đơn giản là ABX 3, trong đó A là sự kết hợp của các ion formamidinium (FA⁺), Cs ⁺ và Rb ⁺; B là Pb2 ⁺ và X = I^-).

Lớp giao diện này ngăn chặn thành công các phân tử nước thấm xuyên qua lớp vận chuyển điện tử tiếp xúc với lớp perovskite, nhờ đó làm tăng độ bền của pin mặt trời.

 Sơ đồ pin mặt trời perovskite (trái), cấu trúc của pin và những phân tử được tích hợp vào các giao diện. Ảnh: Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia Yasuhiro Shirai

Sử dụng phương thức thụ động hóa giao diện này cũng làm giảm số lượng tinh thể khuyết tật, hình thành trên bề mặt của lớp perovskite, một nguyên nhân làm giảm hiệu suất phát điện. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng thêm một dẫn xuất axit photphonic (MeO-2PACz) vào bề mặt phân cách giữa lớp vận chuyển lỗ hồng (ion+) và lớp perovskite, giảm thiểu sự hình thành khuyết tật trong lớp vận chuyển lỗ hổng, nhờ đó tăng cường hiệu suất phát điện của pin mặt trời.

Công trình nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Advanced Energy Materials . Trong tiến trình nghiên cứu tiếp theo, nhóm nhà khoa học có kế hoạch phát triển các tế bào năng lượng mặt trời perovskite hiệu quả và bền hơn nữa bằng cách tạo cơ sở dữ liệu các phân tử, có thể được tích hợp vào giao diện, tiến hành nghiên cứu theo hướng dữ liệu và thiết kế các phân tử, có thể được sử dụng để nâng cao các đặc tính hữu ích của giao diện.