Các nhà khoa học tăng cường sự ổn định và hiệu quả của công nghệ năng lượng mặt trời thế hệ tiếp theo

Nguồn: oist.jp

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Okinawa (OIST) đã tạo ra các mô-đun năng lượng mặt trời thế hệ tiếp theo với hiệu quả cao và ổn định tốt. Được chế tạo bằng cách sử dụng một loại vật liệu gọi là perovskites, các mô-đun năng lượng mặt trời này có thể duy trì hiệu suất cao trong hơn 2000 giờ. Phát hiện của họ, được báo cáo vào ngày 20 tháng 7 năm 2020 trên tạp chí hàng đầu, Năng lượng Tự nhiên, đã làm tăng triển vọng thương mại hóa.

Perovskites có tiềm năng cách mạng hóa ngành công nghiệp năng lượng mặt trời. Linh hoạt và nhẹ, chúng hứa hẹn linh hoạt hơn so với các tế bào dựa trên silicon nặng và cứng hiện đang thống trị thị trường. Nhưng các nhà khoa học phải vượt qua một số rào cản lớn trước khi perovskites có thể được thương mại hóa.

Giáo sư Yabing Qi, người đứng đầu OIST cho biết, có ba điều kiện mà perovskites phải đáp ứng: chúng phải rẻ để sản xuất, hiệu quả cao và có tuổi thọ cao.Đơn vị vật liệu năng lượng và khoa học bề mặt, người dẫn đầu nghiên cứu này.

Một cuộc biểu tình của pin mặt trời Perovskite

Chi phí sản xuất pin mặt trời perovskite thấp, vì nguyên liệu thô giá rẻ cần ít năng lượng để xử lý. Và chỉ trong hơn một thập kỷ, các nhà khoa học đã có những bước tiến lớn trong việc cải thiện hiệu quả của pin mặt trời perovskite chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, với mức độ hiệu quả hiện nay có thể so sánh với các tế bào gốc silicon.

Tuy nhiên, một khi được nhân rộng từ các pin mặt trời nhỏ đến các mô-đun năng lượng mặt trời lớn hơn, mức độ hiệu quả của perovskites giảm mạnh. Đây là vấn đề vì công nghệ năng lượng mặt trời thương mại cần duy trì hiệu quả ở kích thước của các tấm pin mặt trời, dài vài feet.

Mở rộng quy mô là rất khắt khe; bất kỳ khiếm khuyết nào trong vật liệu trở nên rõ rệt hơn, do đó bạn cần vật liệu chất lượng cao và kỹ thuật chế tạo tốt hơn, tiến sĩ Luis Ono, đồng tác giả của nghiên cứu này giải thích.

Sự không ổn định của perovskites là một vấn đề quan trọng khác đang được điều tra mạnh mẽ. Pin mặt trời thương mại cần có khả năng chịu được nhiều năm hoạt động nhưng hiện tại pin mặt trời perovskite xuống cấp nhanh.

Xây dựng các lớp

Nhóm của Giáo sư Qi, được hỗ trợ bởi Chương trình Proof-of-Concept của Trung tâm Sáng tạo và Phát triển Công nghệ OIST, đã giải quyết các vấn đề về tính ổn định và hiệu quả này bằng cách sử dụng một phương pháp mới. Các thiết bị năng lượng mặt trời Perovskite được tạo thành từ nhiều lớp - mỗi lớp có một chức năng cụ thể. Thay vì chỉ tập trung vào một lớp, họ đã xem xét hiệu suất tổng thể của thiết bị và cách các lớp tương tác với nhau.

Lớp perovskite hoạt động, hấp thụ ánh sáng mặt trời, nằm ở trung tâm của thiết bị, kẹp giữa các lớp khác. Khi các photon ánh sáng chiếu vào lớp perovskite, các electron tích điện âm sẽ khai thác năng lượng này và nhảy nhảy đến mức năng lượng cao hơn, để lại các lỗ trống tích điện dương, nơi các electron được sử dụng tích cực. Các điện tích này sau đó được chuyển hướng theo hướng ngược lại thành các lớp vận chuyển electron và lỗ trên và dưới lớp hoạt động. Điều này tạo ra một dòng điện tích - hoặc điện - có thể rời thiết bị năng lượng mặt trời thông qua các điện cực. Thiết bị cũng được đóng gói bởi một lớp bảo vệ làm giảm sự xuống cấp và ngăn chặn các hóa chất độc hại rò rỉ ra môi trường.

Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã làm việc với các mô-đun năng lượng mặt trời là 22,4 cm2.

Đầu tiên, các nhà khoa học đã cải thiện giao diện giữa lớp hoạt động perovskite và lớp vận chuyển điện tử, bằng cách thêm một hóa chất gọi là EDTAK giữa hai lớp. Họ phát hiện ra rằng EDTAK đã ngăn lớp vận chuyển electron oxit thiếc phản ứng với lớp hoạt tính perovskite, làm tăng tính ổn định của mô-đun năng lượng mặt trời.

EDTAK cũng cải thiện hiệu quả của mô-đun năng lượng mặt trời perovskite theo hai cách khác nhau. Đầu tiên, kali trong EDTAK di chuyển vào lớp perovskite đang hoạt động và đã chữa lành vết khuyết nhỏ trên bề mặt perovskite. Điều này ngăn chặn các khuyết tật này bẫy các electron và lỗ trống chuyển động, cho phép tạo ra nhiều điện hơn. EDTAK cũng tăng hiệu suất bằng cách tăng cường tính chất dẫn điện của lớp vận chuyển electron oxit thiếc, giúp thu thập electron từ lớp perovskite dễ dàng hơn.

Các nhà khoa học đã thực hiện những cải tiến tương tự với giao diện giữa lớp hoạt động perovskite và lớp vận chuyển lỗ. Lần này, họ đã thêm một loại perovskite được gọi là EAMA giữa các lớp, giúp tăng cường khả năng cho lớp vận chuyển lỗ để nhận lỗ.

Thiết bị được xử lý EAMA cũng cho thấy sự ổn định tốt hơn trong các thử nghiệm độ ẩm và nhiệt độ. Điều này là do cách EAMA tương tác với bề mặt của lớp hoạt động perovskite, đó là một bức tranh khảm của các hạt tinh thể. Trong các thiết bị năng lượng mặt trời không có EAMA, các nhà khoa học đã thấy rằng các vết nứt hình thành trên bề mặt của lớp hoạt động, có nguồn gốc từ ranh giới giữa các hạt này. Khi các nhà khoa học bổ sung EAMA, họ đã quan sát thấy rằng vật liệu perovskite bổ sung đã lấp đầy ranh giới hạt và ngăn không cho hơi ẩm xâm nhập, ngăn chặn các vết nứt này hình thành.

Nhóm nghiên cứu cũng tự sửa đổi lớp vận chuyển lỗ, bằng cách trộn vào một lượng nhỏ polymer gọi là PH3T. Polyme này tăng cường khả năng chống ẩm bằng cách cung cấp lớp có đặc tính chống thấm nước.

Các polymer cũng giải quyết một vấn đề lớn mà trước đây đã cản trở những cải tiến để ổn định lâu dài. Điện cực trên đỉnh của mô-đun năng lượng mặt trời perovskite được hình thành từ các dải vàng mỏng. Nhưng theo thời gian, các hạt vàng nhỏ di chuyển từ điện cực, qua lớp vận chuyển lỗ và vào lớp perovskite hoạt động. Điều này không thể đảo ngược hiệu suất của thiết bị.

Khi các nhà nghiên cứu kết hợp PH3T, họ phát hiện ra rằng các hạt vàng di chuyển vào thiết bị chậm hơn, điều này làm tăng đáng kể tuổi thọ của mô-đun.

Để cải thiện cuối cùng, các nhà khoa học đã thêm một lớp mỏng polymer, parylene, ngoài thủy tinh, để cung cấp một lớp phủ bảo vệ cho mô-đun năng lượng mặt trời. Với sự bảo vệ bổ sung này, các mô-đun năng lượng mặt trời duy trì khoảng 86% hiệu suất ban đầu của chúng, ngay cả sau 2000 giờ chiếu sáng liên tục.

Phối hợp với Tiến sĩ Said Kazaoui tại Viện Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia (AIST), nhóm OIST đã thử nghiệm các mô-đun năng lượng mặt trời được cải tiến và thu được hiệu suất 16,6% - hiệu quả rất cao đối với mô-đun năng lượng mặt trời có kích thước đó. Các nhà nghiên cứu hiện đang đặt mục tiêu thực hiện những sửa đổi này trên các mô-đun năng lượng mặt trời lớn hơn, dẫn đường cho sự phát triển của công nghệ năng lượng mặt trời thương mại quy mô lớn trong tương lai.