Nghiên cứu mới cho thấy nhiều hứa hẹn đối với pin mặt trời perovskite vô cơ để cải thiện hiệu quả sử dụng pin mặt trời.

Perovskite lai hữu cơ và vô cơ đã chứng tỏ hiệu suất rất cao trong tế bào quang điện trên 25%. Sự khôn ngoan phổ biến trong lĩnh vực này là các phân tử hữu cơ (chứa cacbon và hydro) trong vật liệu là điều cần thiết để đạt được hiệu suất đáng kinh ngạc này vì chúng được cho là có thể ngăn chặn sự tái tổ hợp hạt tải điện có khiếm khuyết.

Nghiên cứu mới tại Khoa Vật liệu tại Đại học California, Santa Barbara, không chỉ cho thấy giả định này không đúng mà còn tất cả các vật liệu vô cơ đều có tiềm năng vượt trội hơn perovskite lai. Kết quả được công bố trong một bài báo có tiêu đề “Các perovskites halogenua toàn vô cơ là ứng cử viên cho pin mặt trời hiệu quả”, xuất hiện trên trang bìa của tạp chí số ra ngày 20 tháng 10 năm 2021. Báo cáo Tế bào Khoa học Vật lý.

Xie Zhang, điều tra viên chính của nghiên cứu, giải thích: “Để so sánh các vật liệu, chúng tôi đã thực hiện mô phỏng toàn diện các cơ chế tái tổ hợp. “Khi ánh sáng chiếu vào vật liệu pin mặt trời, các hạt tải điện do quang ảnh tạo ra sẽ tạo ra dòng điện; sự tái kết hợp tại các khuyết tật sẽ phá hủy một số hạt mang điện đó và do đó làm giảm hiệu quả. Do đó, các khuyết tật đóng vai trò như một kẻ giết người hiệu quả.”

Để so sánh perovskite vô cơ và lai, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu hai vật liệu mô hình chính. Cả hai chất đều chứa nguyên tử chì và iốt, nhưng ở một chất, cấu trúc tinh thể được hoàn thiện bởi nguyên tố vô cơ xêzi, còn chất kia có phân tử hữu cơ metylamoni.

Thực nghiệm phân loại các quá trình này là rất khó, nhưng các tính toán cơ học lượng tử mới nhất có thể dự đoán chính xác tỷ lệ tái kết hợp, nhờ vào phương pháp luận mới được phát triển tại Tập đoàn Vật liệu UCSB, Giáo sư Chris Van de Waal, người tín nhiệm Mark. Turiansky, một sinh viên tốt nghiệp trong nhóm, giúp viết mã để tính tỷ lệ tái tổ hợp.

Turiansky nói: “Các phương pháp của chúng tôi rất hiệu quả trong việc xác định các khiếm khuyết gây ra tổn thất tàu sân bay. “Thật là thú vị khi thấy cách tiếp cận được áp dụng cho một trong những vấn đề quan trọng của thời đại chúng ta, đó là sản xuất năng lượng tái tạo hiệu quả.”

Chạy các mô phỏng cho thấy rằng các khuyết tật chung trong cả hai vật liệu dẫn đến mức độ tái tổ hợp tương đương (và tương đối lành tính). Tuy nhiên, phân tử hữu cơ có thể phân ly trong perovskite lai; Khi sự mất mát của các nguyên tử hydro xảy ra, kết quả là các “chỗ trống” làm giảm hiệu quả một cách nghiêm trọng. Do đó, sự hiện diện của phân tử có hại cho hiệu quả tổng thể của nguyên liệu, không phải là một tài sản.

Vậy tại sao điều này không được quan sát bằng thực nghiệm? Điều này chủ yếu là do khó trồng các lớp vật liệu hoàn toàn vô cơ chất lượng cao. Họ có xu hướng chấp nhận các cấu trúc tinh thể khác, và để tăng cường sự hình thành cấu trúc mong muốn đòi hỏi nỗ lực thực nghiệm lớn hơn. Tuy nhiên, nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc đạt được cấu trúc ưa thích là chắc chắn có thể. Tuy nhiên, khó khăn giải thích tại sao perovskite vô cơ lại không được chú ý nhiều cho đến nay.

Van de Waale kết luận: “Chúng tôi hy vọng rằng những phát hiện của chúng tôi về hiệu quả mong đợi sẽ kích thích các hoạt động tiếp theo hướng vào sản xuất perovskite vô cơ.

Tham khảo: “Perovskite Halide hoàn toàn vô cơ là ứng cử viên cho pin mặt trời hiệu quả” của Xie Zhang, Mark E. Turiansky và Chris G. Van de Walle, ngày 11 tháng 10 năm 2021, có sẵn tại đây. Báo cáo Tế bào Khoa học Vật lý.
DOI: 10.1016 / j.xcrp.2021.100604

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Bộ Năng lượng, Văn phòng Khoa học, Văn phòng Khoa học Năng lượng Cơ bản; Các tính toán được thực hiện tại Trung tâm Máy tính Khoa học Nghiên cứu Năng lượng Quốc gia.