Pin từ vật liệu nguyên tử nhỏ
TS Đào Quang Duy và nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công vật liệu phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin với đầy đủ tính chất phù hợp để tạo thành lớp chuyển tiếp lỗ trống trong pin mặt trời perovskite (pin mặt trời màng mỏng). Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển pin perovskite có giá thành hợp lý, độ bền cao và không ô nhiễm môi trường.
Trong sản xuất pin mặt trời, công nghệ tinh thể silicon chiếm khoảng 90% thị phần. Ngoài ra có các loại vật liệu khác như pin mặt trời hữu cơ, sử dụng các bán dẫn vô định hình, màng mỏng đa tinh thể hay sử dụng vật liệu perovskite… Pin phải có các tiêu chí là hiệu suất, bền và công nghệ chế tạo đơn giản, rẻ tiền.
Nhóm nghiên cứu của TS Đào Quang Duy (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội) đang phối hợp với nhóm nghiên cứu của GS Ozaki (Trường Đại học Osaka, Nhật Bản) phát triển vật liệu nguyên tử nhỏ phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin làm vật liệu chuyển tiếp lỗ trống.
Những vật liệu này có độ linh động hạt tải cao, có thể tan trong nhiều dung môi hữu cơ, dễ dàng chế tạo bằng phương pháp quay phủ, và do đó phù hợp để có thể làm lớp chuyển tiếp lỗ trống trong các pin mặt trời perovskite.
Năm 2007, lần đầu tiên pin mặt trời sử dụng vật liệu perovskite đã được GS Miyasaka (Nhật Bản) công bố tại Hội nghị MRS (Boston, Hoa Kỳ). Trong những thiết bị đầu tiên của pin mặt trời sử dụng vật liệu perovskite, ông đã sử dụng các vật liệu lai tạp hữu cơ, vô cơ có cấu trúc perovskite (CH3NH3PbI3 và CH3NH3PbBr3) để sử dụng như những chất nhạy quang trong cấu trúc DSSC. Những pin mặt trời này sau đó được gọi chung với tên là pin mặt trời perovskite để thể hiện cấu trúc lớp nhân quang điện của thiết bị.
Tuy nhiên, những pin mặt trời của Miyasaka đã sử dụng các chất điện phân lỏng bên trên lớp perovskite (một vật liệu vốn rất dễ bị thủy phân). Điều này dẫn đến độ bền rất thấp và hiệu suất của pin không ổn định. Chính vì thế, những pin mặt trời perovskite thế hệ đầu này đã không nhận được nhiều mối quan tâm của giới khoa học.
Theo TS Đào Quang Duy, vật liệu mới phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin có những tính chất cực kỳ phù hợp để tạo thành lớp chuyển tiếp lỗ trống trong các tấm pin năng lượng mặt trời perovskite.
Nó là vật liệu quan trọng giúp làm tăng độ bền cũng như tuổi thọ của pin perovskite. Ở tấm pin năng lượng mặt trời perovskite, không giống với pin mặt trời sillic truyền thống, các lớp chuyển tiếp lỗ trống sử dụng vật liệu dạng rắn (thay vì dùng điện phân lỏng), khả năng hấp thụ và khuếch tán năng lượng tốt.
TS Đào Quang Duy và cộng sự đã áp dụng công nghệ quay phủ để chế tạo vật liệu |phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin. Ưu điểm của công nghệ này là chi phí phải chăng mà vẫn bảo đảm tấm pin tăng sức bền dẻo và độ ổn định. Kết quả nghiên cứu cho thấy, vật liệu phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin có độ linh động hạt tải mang điện cao.
Bên cạnh đó, nó dễ dàng hòa tan trong các dung môi hữu cơ và có khả năng bảo vệ lớp vật liệu perovskite. Ngoài ra, cấu trúc tinh thể của pin giúp quá trình chuyển đổi thành điện năng từ các photon của nguồn ánh sáng mặt trời được diễn ra hiệu quả.
Hiệu suất tương đương pin silic truyền thống
Thế giới đã có những bước tiến về hiệu suất trong việc chế tạo pin mặt trời perovskite. Nhưng vẫn còn những tồn tại nhất định trước khi tiến tới thương mại hóa. Đó chính là độ bền của pin, độ điện trễ và cách chế tạo những tấm pin perovskite có diện tích lớn.
Trong đó, độ bền của pin vẫn bị hạn chế do lớp vật liệu lai tạp perovskite rất dễ bị thủy phân, tức chúng rất kỵ nước. Trong khi đó, lớp vật liệu chuyển tiếp lỗ trống (dạng rắn, như là Spiro-MeOTAD, PTAA) hiện nay thường có độ dẫn điện thấp. Chúng cần phải được pha tạp bởi một chất bán dẫn khác để tăng độ dẫn (như là LiTFSI).
Tuy nhiên, các chất bán dẫn pha tạp lại thường có đặc tính hút ẩm cao, dẫn đến làm thủy phân các lớp bán dẫn lai tạp perovskite. Chính vì vậy, việc tìm một chất chuyển tiếp lỗ trống mới không sử dụng chất bán dẫn pha tạp là rất cần thiết để nâng cao độ bền của pin.
Đối với nghiên cứu của TS Đào Quang Duy, ngay cả khi chưa được tối ưu hóa, tấm pin mặt trời sử dụng vật liệu hữu cơ nguyên tử nhỏ phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin làm lớp chuyển tiếp lỗ trống vẫn có hiệu suất chuyển đổi năng lượng ở mức cao (15%).
Một ưu điểm nổi bật khác của vật liệu phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin là không cần pha tạp. Bởi thế, nó có thể làm tăng độ bền của tấm pin lên gấp hai lần, bảo vệ lớp perovskite bên ngoài.
“Mặc dù, hiệu suất này tương đương với pin silic truyền thống, nhưng việc chế tạo vật liệu mới được nhóm chú ý đến giá thành chế tạo hợp lý, dễ dàng áp dụng công nghệ và ít ảnh hưởng tới môi trường vì không cần sử dụng thêm các hợp chất pha tạp.
Trong thời gian tới, chúng tôi sẽ tối ưu hóa các lớp vật liệu khác trong pin mặt trời perovskite để nâng cao hơn nữa hiệu suất, qua đó giúp công nghệ sản xuất pin mặt trời perovskite tiến thêm một bước trong quá trình thương mại hóa. Để tăng cao hiệu suất, sẽ phải mất thêm thời gian nghiên cứu, nhưng đây là triển vọng lớn để phát triển ngành năng lượng tái tạo vốn đầy tiềm năng ở Việt Nam”, TS Duy cho biết.
Pin năng lượng mặt trời sử dụng vật liệu perovskite hiện được coi là một trong những ứng viên tiềm năng sẽ “soán ngôi” của các tấm pin mặt trời silic truyền thống. Hiện nay, tại thị trường Việt Nam, tấm pin mặt trời silic được sử dụng phổ biến và chủ yếu.
Việc nhập khẩu và sử dụng pin mặt trời silic không chỉ có chi phí cao mà còn gây ra một số e ngại về ảnh hưởng tới môi trường đất khi các tấm pin hết vòng đời do pin silic có chứa nhiều tạp chất.
Việc phát triển loại vật liệu pin năng lượng mặt trời mới tại Việt Nam giúp giảm giá thành, thân thiện với môi trường và an toàn cho sức khỏe của người sử dụng. Vì thế, nó mang ý nghĩa lớn và được kỳ vọng sẽ đạt nhiều thành tựu hơn nữa.
