Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Năng lượng sinh học và Quy trình sinh học Thanh Đảo (QIBEBT) thuộc Học viện Khoa học Trung Quốc vừa công bố một kỹ thuật đột phá giúp nâng cao hiệu suất của pin mặt trời perovskite (PSC) cấu trúc nghịch đảo lên mức 23,15%. Công trình được đăng tải trên tạp chí Nature Synthesis số gần đây này hứa hẹn giải quyết bài toán khó về việc duy trì hiệu suất khi mở rộng quy mô sản xuất công nghiệp.
Thông thường, pin mặt trời perovskite truyền thống có cấu trúc lớp vận chuyển điện tử nằm dưới lớp hấp thụ ánh sáng. Tuy nhiên, cấu trúc nghịch đảo với các lớp vận chuyển được hoán đổi vị trí lại được ưu tiên trong sản xuất quy mô lớn nhờ khả năng tương thích tốt với các phương pháp xử lý dung dịch. Thách thức lớn nhất của cấu trúc này nằm ở “giao diện ẩn” mà ở đó lớp perovskite tiếp xúc với lớp vận chuyển lỗ trống phía dưới. Tại điểm tiếp giáp bị che khuất này, các cấu trúc vi mô bất thường và khiếm khuyết điện tử thường hình thành, làm giảm cả hiệu suất lẫn độ bền theo thời gian.
Cơ chế hoạt động của các mầm tinh thể solvat tại giao diện ẩn (Ảnh: Xiuhong Sun)
Để khắc phục, nhóm nghiên cứu đã giới thiệu kỹ thuật tiền gieo hạt tinh thể solvat (CSV) nhằm kiểm soát chính xác giao diện quan trọng này. Quy trình bắt đầu bằng việc lắng đọng các hạt giống tinh thể halogenua thấp chiều với công thức hóa học PDPbI4·DMSO lên bề mặt chất nền. Các tinh thể nano CSV hình que này đóng vai trò như một đường dẫn cấu trúc cho các tinh thể perovskite phát triển sau đó. Chúng giúp tiền chất perovskite lan tỏa đồng đều hơn trên bề mặt và tạo ra vô số trung tâm mầm tinh thể, giúp đẩy nhanh và định hướng quá trình hình thành lớp hấp thụ.
Một yếu tố then chốt khác của chiến lược này là cơ chế ủ dung môi giới hạn trong mạng tinh thể. Trong quá trình ủ nhiệt, các phân tử dimethyl sulfoxide (DMSO) nhúng trong cấu trúc CSV sẽ được giải phóng dần dần, tạo ra môi trường dung môi tại chỗ thúc đẩy sự sắp xếp lại và phát triển của các hạt tinh thể. Kết quả là tạo ra một màng mỏng perovskite đồng nhất, mật độ cao và ít khiếm khuyết, giúp tăng cường khả năng chống tác động từ nhiệt và ánh sáng.
Bằng cách kết hợp phương pháp CSV với quy trình phủ slot-die, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công mô-đun pin mặt trời diện tích 49,91 cm² đạt hiệu suất 23,15%. Đáng chú ý, mức sụt giảm hiệu suất khi mở rộng diện tích từ mẫu cell pin trong phòng thí nghiệm sang mô-đun lớn là dưới 3%, vượt xa nhiều nghiên cứu trước đây. Giáo sư Shuping Pang cho biết công nghệ này không chỉ vượt qua nút thắt về quy mô sản xuất mà còn mở ra một mô hình mới cho kỹ thuật giao diện trong các thiết bị quang điện tử bán dẫn khác.
