Nguồn: cei.washington.edu/
Perovskite là gì
Perovskite là một vật liệu có cấu trúc tinh thể giống như khoáng chất oxit titan canxi, tinh thể perovskite được phát hiện đầu tiên. Nói chung, các hợp chất perovskite có công thức hóa học ABX3, trong đó 'A' và 'B' đại diện cho các cation và X là một anion liên kết với cả hai. Một số lượng lớn các yếu tố khác nhau có thể được kết hợp với nhau để tạo thành cấu trúc perovskite. Sử dụng tính linh hoạt của thành phần này, các nhà khoa học có thể thiết kế các tinh thể perovskite để có nhiều đặc tính vật lý, quang học và điện học. Các tinh thể perovskite ngày nay được tìm thấy trong máy siêu âm, chip nhớ và bây giờ là pin mặt trời.
Sơ đồ cấu trúc tinh thể perovskite. (Wikimedia Commons)
Ứng dụng năng lượng sạch của perovskites
Tất cả các pin mặt trời quang điện đều dựa vào chất bán dẫn - vật liệu nằm ở lớp đất trung gian giữa chất cách điện như thủy tinh và chất dẫn kim loại như đồng - để biến năng lượng từ ánh sáng thành điện năng. Ánh sáng từ mặt trời kích thích các electron trong vật liệu bán dẫn chạy vào các điện cực dẫn và tạo ra dòng điện.
Silicon là vật liệu bán dẫn chính được sử dụng trong pin mặt trời từ những năm 1950, vì đặc tính bán dẫn của nó phù hợp với quang phổ của tia nắng mặt trời và nó tương đối nhiều và ổn định. Tuy nhiên, các tinh thể silicon lớn được sử dụng trong các tấm pin mặt trời thông thường đòi hỏi một quy trình sản xuất nhiều bước, tốn kém, sử dụng nhiều năng lượng. Trong quá trình tìm kiếm một giải pháp thay thế, các nhà khoa học đã khai thác khả năng đánh bắt của perovskite để tạo ra chất bán dẫn có các đặc tính tương tự như silicon. Pin mặt trời Perovskite có thể được sản xuất bằng các kỹ thuật lắng đọng phụ gia, đơn giản, như in ấn, với một phần chi phí và năng lượng. Do tính linh hoạt trong thành phần của perovskite, chúng cũng có thể được điều chỉnh để phù hợp lý tưởng với quang phổ của mặt trời.
Năm 2012, các nhà nghiên cứu lần đầu tiên khám phá ra cách tạo ra pin mặt trời perovskite màng mỏng, ổn định với hiệu suất chuyển đổi photon-electron ánh sáng trên 10%, sử dụng perovskite chì halogen làm lớp hấp thụ ánh sáng. Kể từ đó, hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành điện năng của pin mặt trời perovskite đã tăng vọt, với kỷ lục trong phòng thí nghiệm là 25,2%. Các nhà nghiên cứu cũng đang kết hợp pin mặt trời perovskite với pin mặt trời silicon thông thường - hiệu suất kỷ lục cho các tế bào song song “perovskite trên silicon” này hiện là 29,1% (vượt qua kỷ lục 27% đối với pin silicon thông thường) và tăng nhanh. Với sự gia tăng nhanh chóng về hiệu quả sử dụng pin này, pin mặt trời perovskite và pin mặt trời perovskite song song có thể sớm trở thành lựa chọn thay thế rẻ, hiệu quả cao cho pin mặt trời silicon thông thường.
Mặt cắt của pin mặt trời perovskite. (Viện năng lượng sạch)
Một số mục tiêu nghiên cứu hiện tại là gì?
Mặc dù pin mặt trời perovskite, bao gồm cả perovskite trên silicon song song, đang được thương mại hóa bởi hàng chục công ty trên toàn thế giới, vẫn còn những thách thức khoa học và kỹ thuật cơ bản cần giải quyết để có thể cải thiện hiệu suất, độ tin cậy và khả năng sản xuất của chúng.
Một số nhà nghiên cứu perovskite tiếp tục nâng cao hiệu quả chuyển đổi bằng cách xác định các khuyết tật trong perovskite. Mặc dù chất bán dẫn perovskite có khả năng chịu khuyết tật đáng kể, nhưng các khuyết tật vẫn ảnh hưởng một cách tương đối đến hiệu suất - đặc biệt là những khuyết tật xuất hiện ở bề mặt của lớp hoạt động. Các nhà nghiên cứu khác đang khám phá các công thức hóa học perovskite mới, để điều chỉnh các đặc tính điện tử của chúng cho các ứng dụng cụ thể (như ngăn xếp tế bào song song) hoặc cải thiện hơn nữa độ ổn định và tuổi thọ của chúng.
Các nhà nghiên cứu cũng đang nghiên cứu các thiết kế tế bào mới, các chiến lược đóng gói mới để bảo vệ perovskite khỏi môi trường và tìm hiểu các con đường suy thoái cơ bản để họ có thể sử dụng các nghiên cứu lão hóa nhanh để dự đoán tuổi thọ của các tế bào năng lượng mặt trời perovskite trên các mái nhà. Những người khác đang nhanh chóng khám phá nhiều quy trình sản xuất khác nhau, bao gồm cả cách điều chỉnh “mực” perovskite với các phương pháp in giải pháp quy mô lớn đã được thiết lập. Cuối cùng, trong khi các perovskite hoạt động tốt nhất ngày nay được tạo ra với một lượng nhỏ chì, các nhà nghiên cứu cũng đang khám phá các chế phẩm thay thế và các chiến lược bao gói mới, để giảm thiểu những lo ngại liên quan đến độc tính của chì.
CEI thúc đẩy perovskites như thế nào?
Các tinh thể perovskite thường thể hiện các khuyết tật ở quy mô nguyên tử có thể làm giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời. Giáo sư hóa học và nhà khoa học trưởng CEI David Gingerhas đã phát triển kỹ thuật "thụ động hóa", xử lý perovskite bằng các hợp chất hóa học khác nhau để chữa lành những khiếm khuyết này. Nhưng khi các tinh thể perovskite được lắp ráp thành pin mặt trời, các điện cực thu dòng điện có thể tạo ra các khuyết tật bổ sung. Vào năm 2019, Ginger và các cộng tác viên tại Georgia Tech đã nhận được tài trợ từ Văn phòng Công nghệ Năng lượng Solar của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (SETO) để phát triển các chiến lược thụ động hóa mới và vật liệu thu điện tích mới, cho phép pin mặt trời perovskite đạt được tiềm năng hiệu quả cao nhất trong khi vẫn tương thích với chi phí sản xuất thấp.
Giáo sư hóa học Daniel Gamelina và nhóm của ông đặt mục tiêu sửa đổi pin mặt trời silicon với lớp phủ perovskite để thu thập các photon năng lượng cao của ánh sáng xanh hiệu quả hơn, vượt qua giới hạn lý thuyết là chuyển đổi 33% đối với các tế bào silicon thông thường. Gamelin và nhóm của ông đã phát triển các chấm lượng tử perovskite - những hạt nhỏ nhỏ hơn sợi tóc người hàng nghìn lần - có thể hấp thụ các photon năng lượng cao và phát ra gấp đôi các photon năng lượng thấp, một quá trình được gọi là “cắt lượng tử”. Mỗi photon được hấp thụ bởi pin mặt trời tạo ra một điện tử, do đó, lớp phủ chấm lượng tử perovskite có thể làm tăng đáng kể hiệu suất chuyển đổi.
Gamelin và nhóm của anh ấy đã thành lập một công ty phụ có tên làBlueDot Photonicsto để thương mại hóa công nghệ này. Với sự tài trợ của SETO, Gamelin và BlueDot đang phát triển các kỹ thuật lắng đọng để tạo ra các màng mỏng bằng vật liệu perovskite cho các pin mặt trời diện tích lớn và để tăng cường các pin mặt trời silicon thông thường.
Giáo sư kỹ thuật hóa học Hugh Hillhouseis sử dụng các thuật toán học máy để hỗ trợ nghiên cứu perovskites. Sử dụng quá trình phát quang do video tốc độ cao thu được, Hillhouse và nhóm của ông đang thử nghiệm nhiều loại perovskite lai để có độ ổn định lâu dài. Những thí nghiệm này tạo ra những bộ dữ liệu khổng lồ, nhưng bằng cách sử dụng máy học, chúng nhằm mục đích tạo ra một mô hình dự đoán về sự suy thoái của các tế bào năng lượng mặt trời perovskite. Mô hình này có thể giúp họ tối ưu hóa cấu trúc và cấu trúc hóa học của pin mặt trời perovskite để có sự ổn định lâu dài - một rào cản chính đối với thương mại hóa.
Tại Washington Clean Energy Testbeds, một cơ sở phòng thí nghiệm truy cập mở do CEI điều hành, các nhà nghiên cứu và doanh nhân có thể sử dụng thiết bị hiện đại để phát triển, thử nghiệm và mở rộng quy mô các công nghệ như pin mặt trời perovskite. Sử dụng máy in cuộn để cuộn tại Testbeds, mực perovskite có thể được in ở nhiệt độ thấp trên bề mặt mềm dẻo. Giám đốc kỹ thuật của TestbedsJ. Devin MacKenzie, giáo sư khoa học vật liệu& kỹ thuật và kỹ thuật cơ khí tại UW, là một chuyên gia về vật liệu và kỹ thuật để sản xuất năng suất cao và ít khí thải carbon. Một trong những dự án tích cực nhất của nhóm ông, cũng được tài trợ bởi SETO, đang phát triển các công cụ tại chỗ có thể đo lường sự phát triển của các tinh thể perovskite khi chúng được lắng đọng nhanh chóng trong quá trình in cuộn sang cuộn. Nhóm của MacKenzie cũng đang sử dụng máy in có độ phân giải cao nhất thế giới để phát triển các điện cực mới để kéo dòng điện ra khỏi pin mặt trời perovskite mà không cản ánh sáng mặt trời đi vào tế bào.
Giám đốc Kỹ thuật của Washington Clean Energy Testbeds J. Devin MacKenzie trình diễn máy in cuộn nhiều tầng của Testbeds cho các thiết bị điện tử linh hoạt. (Viện năng lượng sạch)
