Triển vọng đầy nắng cho năng lượng mặt trời: Nghiên cứu mới cho thấy hứa hẹn to lớn trong việc cải thiện hiệu quả sử dụng pin mặt trời

Nghiên cứu mới cho thấy hứa hẹn to lớn về pin mặt trời perovskite hoàn toàn vô cơ trong việc cải thiện hiệu suất của pin mặt trời.

Các perovskite vô cơ-hữu cơ lai đã chứng minh hiệu suất quang điện rất cao 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 rất quan trọng để đạt được hiệu suất ấn tượng này vì chúng được cho là ngăn chặn sự tái tổ hợp hạt tải điện có khiếm khuyết.

Nghiên cứu mới tại phòng vật liệu UC Santa Barbara không chỉ cho thấy giả định này không chính xác mà còn rằng các vật liệu vô cơ hoàn toàn có tiềm năng vượt trội hơn các perovskite lai. Phát hiện được công bố trong bài báo “Các perovskite halogenua toàn vô cơ là ứng cử viên cho pin mặt trời hiệu quả”, xuất hiện trên trang bìa của tạp chí Cell Reports Physical Science ngày 20 tháng 10 năm 2021.

Xie Zhang, trưởng nhóm 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 mang quang tạo ra dòng điện; sự tái tổ hợp tại các khuyết tật sẽ phá hủy một số chất mang đó và do đó làm giảm hiệu quả. Do đó, những khiếm khuyết đóng vai trò như những kẻ giết người hiệu quả ”.

Để so sánh perovskite vô cơ và lai, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu hai vật liệu nguyên mẫu. Cả hai vật liệu đều chứa các nguyên tử chì và iốt, nhưng trong một vật liệu, cấu trúc tinh thể được hoàn thiện bởi nguyên tố vô cơ cesium, trong khi ở vật liệu kia, phân tử metylamoni hữu cơ có mặt.

Việc phân loại các quá trình này bằng thực nghiệm là cực kỳ khó, nhưng các tính toán cơ lượng tử hiện đại có thể dự đoán chính xác tỷ lệ tái kết hợp, nhờ vào phương pháp luận mới được phát triển trong nhóm của giáo sư vật liệu UCSB, Chris Van de Walle, người đã ghi nhận Mark Turiansky, một sinh viên cao học trong nhóm, đã giúp viết mã để tính toán tỷ lệ tái tổ hợp.

Turiansky nói: “Các phương pháp của chúng tôi rất hiệu quả để xác định những khiếm khuyết nào gây ra tổn thất tàu sân bay. “Thật 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 cho cả hai vật liệu làm phát sinh mức độ tái tổ hợp có thể so sánh được (và tương đối lành tính). Tuy nhiên, phân tử hữu cơ trong perovskite lai có thể bị vỡ ra; khi sự mất mát nguyên tử hydro xảy ra, kết quả là “chỗ trống” làm giảm hiệu suất một cách mạnh mẽ. Do đó, sự hiện diện của phân tử là một phương hại, chứ không phải là một tài sản, đối với hiệu quả tổng thể của vật liệu.

Vậy tại sao điều này đã không được thực nghiệm nhận thấy? Chủ yếu là do việc trồng các lớp chất lượng cao của các vật liệu vô cơ hoàn toàn khó khăn hơn. Họ có xu hướng chấp nhận các cấu trúc tinh thể khác, và việc thúc đẩy 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 chắc chắn là khả thi. Tuy nhiên, khó khăn giải thích tại sao các perovskites hoàn toàn vô cơ vẫn chưa được chú ý nhiều cho đến nay.

Van de Walle kết luận: “Chúng tôi hy vọng rằng những phát hiện của chúng tôi về hiệu quả mong đợi sẽ kích thích nhiều hoạt động hơn nhằm sản xuất perovskite vô cơ.

Tham khảo: “Các perovskite halogenua 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, Báo cáo Khoa học Vật lý Tế bào .
DOI: 10.1016 / j.xcrp.2021.100604

Kinh phí cho nghiên cứu này được cung cấp bởi Văn phòng Khoa học Năng lượng, 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.

Theo Scitechdaily