Pin mặt trời truyền thống được làm từ silicon, có hiệu suất cao và ổn định nhưng quy trình sản xuất tốn kém và chỉ có thể được chế tạo thành các  bản cứng.

Pin mặt trời vật liệu perovskite là một giải pháp thay thế phù hợp, có thể được in 3D từ các loại mực khác nhau, có giá thành thấp, mỏng, nhẹ, hiệu quả cao, mềm dẻo và linh hoạt. Nhưng pin perovskite so với pin mặt trời silicon có hiệu suất thấp, tính ổn định kém, nhanh bị phá hủy trong môi trường.

Những vật liệu chứa kim loại mới, được gọi là ferrocenes có thể giải quyết những thách thức này. Nhóm nghiên cứu từ Đại học Thành phố Hồng Kông (CityU) đã thêm các ferrocene do Đại học Hoàng gia London (Imperial College London) sản xuất vào pin mặt trời perovskite, tăng cường đáng kể hiệu quả và độ ổn định của pin. Kết quả nghiên cứu được công bố ngày 21/4/ 2022) trên tạp chí Khoa học.

 Pin mặt trời perovskite với lớp ferrocene. Ảnh: Li et al. 2022

Đồng tác giả nghiên cứu, GS Nicholas Long thuộc Khoa Hóa tại Imperial, cho biết: Tế bào silicon hiệu quả nhưng đắt tiền, thế giới đang rất cần các thiết bị năng lượng mặt trời mới nhằm đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang năng lượng tái tạo. Các tế bào perovskite ổn định và hiệu quả có thể cho phép sử dụng năng lượng mặt trời trong nhiều ứng dụng từ cung cấp năng lượng cho thế giới đang phát triển đến sạc điện cho thế hệ thiết bị đeo mới.

“Sự hợp tác của nhà trường với các đồng nghiệp ở Hồng Kông rất tình cờ, nảy sinh sau khi nói chuyện về các hợp chất ferrocene mới và gặp Tiến sĩ Zonglong Zhu từ CityU, yêu cầu có được một số mẫu thử. Trong vòng vài tháng, nhóm CityU cho biết kết quả rất ấn tượng và yêu cầu cần nhiều mẫu hơn để bắt đầu một chương trình nghiên cứu nhằm tạo ra các thiết bị perovskite hiệu quả và ổn định.

Perovskite tạo thành lớp 'thu nhận ánh sáng' của các thiết bị pin mặt trời. Nhưng các thiết bị này kém hiệu quả trong chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng so với pin mặt trời từ silicon, nguyên nhân là do các electron ít “di động”, khó di chuyển từ lớp thu nhận sang các lớp chuyển đổi điện.

Ferrocenes là những hợp chất có sắt ở trung tâm, bao quanh là các vòng carbon kẹp. Cấu trúc độc đáo của ferrocene được GS Geoffrey Wilkinson, từng đoạt giải Nobel của Imperial xác nhận lần đầu tiên năm 1952, ferrocene hiện đang được nghiên cứu trên khắp thế giới do những những đặc tính độc đáo của vật liệu.

Một đặc tính của cấu trúc ferrocene là độ giàu điện tử lớn, cho phép các điện tử di chuyển dễ dàng hơn từ lớp perovskite sang các lớp tiếp theo, nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng.

Những thử nghiệm do nhóm CityU thực hiện trong các phòng thí nghiệm thương mại cho thấy, hiệu suất của các thiết bị perovskite có thêm lớp ferrocene có thể đạt đến 25%, tiệm cận với hiệu suất của các tế bào pin điện mặt trời silicon truyền thống.

Đây không phải là vấn đề duy nhất mà các vật liệu trên cơ sở ferrocene giải quyết được. Nhóm nghiên cứu Imperial đã thử gắn các nhóm hóa học khác nhau vào những vòng carbon của ferrocene và gửi cho nhóm Hồng Kông một số phiên bản vật liệu, các nhà khoa học phát hiện một phiên bản, có khả năng tăng cường mạnh sự kết gắn của lớp perovskite với phần còn lại của thiết bị.

Nhóm hóa học đính kèm bổ sung gia tăng độ ổn định của pin điện mặt trời, duy trì hơn 98% hiệu suất ban đầu sau khi liên tục hoạt động ở công suất tối đa trong 1.500 giờ. Hiệu quả và độ ổn định do bổ sung lớp ferrocene đạt được khiến hiệu suất của thiết bị perovskite tiến sát đến những tiêu chuẩn quốc tế hiện hành đối với tế bào pin mặt trời silicon.

Nghiên cứu này là công trình cho phép pin mặt trời perovskite đạt được hiệu suất cao kỷ lục 25%, vượt quá độ ổn định do Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế đặt ra. Nhóm nhiên cứu cũng thử nghiệm các thiết kế ferrocene khác nhau nhằm tăng hơn nữa hiệu suất và độ ổn định của pin mặt trời.