Pin mặt trời tandem hiệu suất cao, bền nhiệt vượt trội

Các nhà khoa học Hàn Quốc đã phát triển thành công vật liệu màng mỏng mới có khả năng nâng cao cả hiệu suất chuyển đổi năng lượng lẫn độ bền của pin mặt trời tandem perovskite-hữu cơ – một bước tiến quan trọng hướng tới các thiết bị năng lượng mặt trời linh hoạt, hiệu suất cao và bền vững.

Pin mặt trời tandem là thiết bị quang điện thế hệ mới, kết hợp hai loại tế bào khác nhau để hấp thụ phổ ánh sáng rộng hơn, từ đó tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Trong đó, sự kết hợp giữa vật liệu perovskite và hữu cơ mang lại tiềm năng lớn nhờ tính linh hoạt, nhẹ, mỏng, phù hợp cho các ứng dụng như thiết bị đeo và pin mặt trời tích hợp trong tòa nhà.

Tuy nhiên, thách thức lớn hiện nay là làm thế nào để vừa tối ưu hiệu suất chuyển đổi năng lượng, vừa đảm bảo độ bền lâu dài của thiết bị. Nhằm giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu do Giáo sư BongSoo Kim tại trường Đại học UNIST, Hàn Quốc đã phát triển một lớp vận chuyển lỗ mới nhằm cải thiện đáng kể hiệu suất của pin mặt trời tandem dựa trên perovskite và hữu cơ (POTSCs).

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công lớp vận chuyển lỗ (hole-transport layer – HTL) bằng cách pha trộn hai phân tử tự lắp ráp (self-assembled molecules): 36ICzC4PA và 36MeOCzC4PA. Vật liệu này không chỉ tương thích tốt về mặt năng lượng với lớp hấp thụ perovskite mà còn có khả năng chọn lọc lỗ hiệu quả và ngăn chặn sự tái hợp điện tử-lỗ, giúp giảm tổn hao điện tích.

Cấu trúc hóa học đặc biệt của các phân tử tự lắp ráp tạo ra liên kết bền vững với các ion kim loại trong lớp perovskite, giúp ổn định cấu trúc tinh thể và giảm thiểu các khuyết tật tại giao diện – nguyên nhân thường gây tổn thất điện tích. Đồng thời, sự liên kết năng lượng giữa các lớp giúp tăng hiệu quả tách và vận chuyển điện tích, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của thiết bị.

Nghiên cứu đã đạt được hiệu quả khá ấn tượng: Thiết bị đạt điện áp mạch hở (VOC) kỷ lục 2,216 V, cùng với hiệu suất chuyển đổi điện năng (PCE) lên đến 24,73%, thuộc nhóm cao nhất từng được báo cáo cho POTSCs trên toàn cầu. Bên cạnh đó, sau khi chịu chiếu sáng liên tục và nhiệt độ cao 65°C, thiết bị vẫn duy trì trên 80% hiệu suất ban đầu, chứng minh độ ổn định vượt trội.

Ngoài ra, nhờ đặc tính tự lắp ráp, lớp HTL tạo ra lớp phủ siêu mỏng, đồng đều trên diện tích lớn. Điều này giúp đơn giản hóa quy trình sản xuất và mở ra khả năng mở rộng quy mô để thương mại hóa.

Theo Giáo sư BongSoo Kim: “Việc phát triển lớp vận chuyển lỗ tự lắp ráp đã cải thiện rõ rệt khả năng tách điện tích, độ ổn định giao diện và độ bền cấu trúc, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất pin mặt trời tandem. Nghiên cứu này góp phần hiện thực hóa các tấm pin mặt trời thế hệ mới: mỏng, linh hoạt và hiệu quả cao.”

Sự kết hợp giữa khả năng tự tổ chức, tính chọn lọc điện tích, và ổn định cấu trúc đã đưa mHSL trở thành giải pháp đầy hứa hẹn cho việc hiện thực hóa các tấm pin mặt trời thế hệ mới – mỏng, dẻo, hiệu suất cao và dễ sản xuất ở quy mô lớn. Nghiên cứu này đánh dấu một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực quang điện, góp phần thúc đẩy các công nghệ năng lượng sạch hướng đến tính bền vững và trung hòa carbon.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials.

Nguồn: Techxplore.com