Bí ẩn tế bào năng lượng mặt trời được hé lộ qua 'phim' nanomé quang

Cell năng lượng mặt trời perovskite là một hiện tượng năng lượng mặt trời. Chỉ mới 10 năm tuổi, công nghệ mặt trời thế hệ tiếp theo này đã đạt được các cột mốc hiệu suất mà mặt trời silicon truyền thống mất gần một nửa thế kỷ để đạt được. Các tế bào được làm từ một loại vật liệu gọi là perovskite, có tính chất cho phép tế bào mặt trời mỏng, linh hoạt có thể được in như mực một cách rẻ ràng. Về lý thuyết, tế bào perovskite có thể biến mọi thứ thành tấm pin mặt trời - ô tô của bạn, cửa sổ của bạn, thậm chí là quần áo của bạn. Nhưng trước khi perovskite có thể lật đổ silicon để trở thành vua của bán dẫn mặt trời, các nhà nghiên cứu cần chứng minh rằng vật liệu này đủ ổn định để chịu được yếu tố từ thời gian trong thực tế ngoài phòng thí nghiệm.

Khác với tế bào mặt trời silicon, mà chỉ cần một vài nguyên tử lạc lõng có thể làm cho chúng trở nên vô dụng, tế bào perovskite chịu đựng rất nhiều lỗi phát sinh trong quá trình sản xuất. Nhưng một loại lỗi cụ thể trong cấu trúc tinh thể của perovskite được biết đến là một “lỗ hầm sâu” vẫn có thể làm cho tế bào phân hủy và mất khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng hiệu quả. Cho đến gần đây, ít thông tin được biết về cách và nơi lỗ hầm sâu hình thành trong tế bào perovskite. Bây giờ, một nhóm nghiên cứu quốc tế đã xác định vị trí của lỗ hầm sâu trong tế bào perovskite, điều này có thể cải thiện đáng kể sự ổn định của chúng và đẩy nhanh quá trình thương mại hóa của chúng.

Như mô tả trong một bài báo được xuất bản trên Tự nhiên vào thứ Tư, các nhà khoa học từ Đại học Cambridge và Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa đã phát hiện ra rằng lỗ hầm sâu xảy ra dưới dạng những cụm nhỏ tại giao diện giữa các hạt trong tế bào perovskite. Họ dựa vào một loạt các kỹ thuật hình ảnh tiên tiến để tạo ra “phim” về các điện tích khi chúng di chuyển qua tế bào và tương tác với các lỗ hầm, các trình tự hành động ở tỷ lệ nanomét xảy ra trong thời gian ít hơn một tỷ phần tỷ giây.

“Có nhiều bằng chứng cho thấy rằng những cái bẫy này liên quan trực tiếp đến sự ổn định và có thể là những nơi mà tế bào bắt đầu suy giảm,” nói Sam Stranks, một nhà vật lý tại Đại học Cambridge và là tác giả chính của bài báo. “Bây giờ khi chúng ta biết chúng đang hình thành ở đâu, chúng ta có thể bắt đầu nhắm vào những điểm gặp vấn đề này và hiểu sâu về quá trình suy giảm.”

Tế bào mặt trời được làm từ bán dẫn, các vật liệu như silic hoặc perovskite có thể dẫn điện hoặc cách điện tùy thuộc vào môi trường. Khi photon từ mặt trời tương tác với tế bào mặt trời, chúng đẩy electron trong bán dẫn lên trạng thái năng lượng cao và để lại một “lỗ” mang điện tích dương. Cả electron và lỗ có thể lan truyền qua cấu trúc tinh thể của bán dẫn và mang theo điện tích điện đến các điện cực tạo ra năng lượng hữu ích.

Tế bào mặt trời perovskite có thể được tưởng tượng như một bức tranh ghép nơi mỗi viên gạch hoặc hạt có cấu trúc tinh thể tương tự. Nếu có một khuyết điểm trong cấu trúc nguyên tử gọn gàng khác của bán dẫn, điều này có thể “bẫy” electron hoặc lỗ và làm mất khả năng cung cấp điện của tế bào mặt trời. Trong tế bào silic, bẫy thường xuất hiện do thiếu một nguyên tử trong cấu trúc tinh thể. Bẫy trong tế bào perovskite dường như xuất hiện từ các quy trình phức tạp hơn so với việc thiếu hụt nguyên tử, nhưng Stranks nói rằng nguyên nhân của chúng vẫn chưa được hiểu đầy đủ. “Chúng ta không biết chất gì đang gây ra chúng, nhưng điều chúng ta thấy là chúng đang tập trung tại các giao diện giữa các hạt,” Stranks nói.

Stranks và đồng nghiệp của ông đạt được kết luận này bằng cách chiếu ánh sáng tử ngoại lên tế bào perovskite và quan sát chúng bằng một kính hiển vi mạnh mẽ có khả năng nhìn thấu xuống chỉ 10 nanomét - xấp xỉ đường kính tổng hợp của bốn sợi ADN. Ánh sáng UV giải phóng electron trong tế bào mặt trời. Bằng cách đo năng lượng từ những electron này, các nhà nghiên cứu có thể xác định độ sâu chúng bị ràng buộc trong cấu trúc tinh thể bán dẫn. Khi chiếu ánh sáng mặt trời lên những tế bào này, các điện tích năng động rơi vào các bẫy sâu đăng ký là một sự thay đổi lớn trong tín hiệu đo được diễn ra trong thời gian ít hơn một tỷ phần tỷ giây.

Đội ngũ sau đó đã hình ảnh cấu trúc hạt của các tế bào mặt trời và so sánh điều này với vị trí của các lỗ hầm sâu được biểu hiện bởi bộ phim nanomét tốc độ cao của họ. Những gì họ tìm thấy là rằng các lỗ hầm sâu tập trung duy nhất dọc theo ranh giới giữa các hạt tế bào perovskite có cấu trúc hoàn hảo và những hạt có cấu trúc lỗi. “Chúng ta bây giờ biết vùng giới hạn ở đâu, và đó là một bước đột phá quan trọng,” Stranks nói. “Điều đó cho phép chúng ta xác định các khu vực gặp vấn đề và cần được loại bỏ.”

Có hai hướng chính để loại bỏ những lỗ hầm sâu này. Một là cải thiện cách tế bào perovskite được sản xuất để ngăn chặn việc hình thành hạt lỗi, điều này đầu tiên sẽ đòi hỏi hiểu rõ nguyên nhân làm cho chúng phát triển ban đầu. Stranks cũng nói rằng có thể có khả năng “che mắt lại vấn đề” bằng cách sản xuất vật liệu perovskite sao cho các bẫy được phân bố hơn, chứ không phải tập trung lại gần nhau. Một hướng khác là xác định các khu vực lỗi trên tế bào mặt trời perovskite và sử dụng các kỹ thuật xử lý sau để điều trị chúng. Nhưng cả hai hướng tiếp cận đều không hiệu quả nếu không biết chính xác vị trí của các lỗ hầm; Stranks nói rằng phương pháp thay thế sẽ là tiếp tục theo cách thử nghiệm và lỗi, điều này sẽ dẫn đến nhiều thời gian và công sức phí phạm.

“Công việc này quan trọng vô cùng để hiểu về vật liệu này cũng như chúng ta hiểu về các bán dẫn khác,” nói Joseph Berry, một nhà khoa học cấp cao tại Viện Năng lượng tái tạo quốc gia không tham gia nghiên cứu. Công việc của Berry chủ yếu tập trung vào cách đưa tế bào mặt trời perovskite ra khỏi phòng thí nghiệm và đưa vào thế giới thực, điều này đòi hỏi chứng minh rằng những tế bào này sẽ tiếp tục tạo ra điện trong nhiều thập kỷ. Với việc không ai biết về tế bào perovskite chỉ cách đây 10 năm, đây là một thách thức lớn.

“Bạn có thể triển khai nó và xem điều gì xảy ra sau 30 năm, nhưng tôi nghĩ không ai thực sự muốn thực hiện thí nghiệm đó trên ngôi nhà của họ,” Berry nói. “Nhưng những nghiên cứu mà Sam [Stranks] đã thực hiện cho phép chúng ta đối mặt với khoa học cần thiết để đưa ra dự đoán 30 năm cho những hệ thống như vậy.”

Có vẻ như đây là một công việc lớn để xây dựng một tế bào mặt trời tốt hơn, khi mà các tế bào mặt trời silic thương mại đã tiệm cận hiệu suất tối đa lý thuyết của khoảng 30%. Nhưng đồng thuận sẽ xứng đáng, Berry cho biết. Trước hết, tế bào perovskite rẻ hơn và dễ sản xuất hơn so với tế bào silic, cần được nung ở hơn 3,000 độ Fahrenheit và được xử lý bằng các chất hóa học độc hại. Ngược lại, tế bào perovskite có thể được in trên các tấm màng nhựa mỏng bằng các kỹ thuật không khác biệt nhiều so với việc in báo. Hơn nữa, tế bào perovskite hứa hẹn mang lại những đột phá hiệu suất đáng kể hơn so với tế bào mặt trời silic truyền thống.

Tế bào mặt trời hai lớp hiện đại kết hợp perovskite và silic đã cho thấy hiệu suất lên đến 29% chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng trong phòng thí nghiệm, tương đương với hiệu suất của tế bào mặt trời silic thương mại một lớp hàng đầu. Tin rằng các lỗ hầm sâu sẽ giết chết cả sự ổn định và hiệu suất trong tế bào perovskite, vì vậy việc giải quyết những khuyết điểm này sẽ đẩy hiệu suất của chúng lên cao hơn. Tế bào mặt trời đa lớp kết hợp tế bào perovskite và tế bào silic, hoặc được xây dựng từ các tấm tế bào perovskite xếp chồng, có thể tăng hiệu suất lên khoảng 35% nếu có chăm sóc cho những lỗ hầm, điều mà Stranks nói sẽ là một “gamechanger” cho năng lượng mặt trời.

Berry đồng ý. “Không phải là perovskite làm bất kỳ điều gì tốt hơn, mà là sự thực tế rằng nó làm nhiều điều—nó có thể nhẹ hơn, hiệu suất cao hơn và triển khai ở những nơi mà silic sẽ khó khăn,” Berry nói. Sự linh hoạt và tính mờ của tế bào perovskite có nghĩa là mọi thứ từ cửa sổ đến cánh máy bay có thể trở thành tấm pin mặt trời. Nhưng trước hết, các nhà nghiên cứu phải chứng minh rằng công nghệ này có thể giữ được ưu thế hiệu suất của mình ở quy mô lớn.

Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã đặt kỷ lục hiệu suất perovskite bằng cách sử dụng các tế bào có diện tích chỉ là vài centimet vuông. Khi các tế bào được kết hợp thành các tờ lớn, hiệu suất nhanh chóng giảm đi. Việc loại bỏ khuyết điểm trong vật liệu sẽ quyết định đối với việc duy trì hiệu suất của tế bào perovskite trong các bảng lớn. “Nếu chúng ta muốn perovskite trở thành công nghệ, thì nó phải là tốt hơn hoặc ngang bằng với tất cả những công nghệ khác hiện có,” Berry nói. Tế bào mặt trời perovskite chưa đến nơi đó, nhưng ở tốc độ này, có vẻ chỉ là vấn đề thời gian.

Những điều tuyệt vời hơn từ Mytour

• Vấn đề đặc biệt: Cách chúng ta sẽ giải quyết cuộc khủng hoảng khí hậu
• Mọi thứ bạn cần để làm việc tại nhà như một chuyên gia
• Người ảnh hưởng về sức khỏe bán những lời hứa sai lầm khi lo ngại về sức khỏe gia tăng
• Tại sao cuộc sống trong một đại dịch cảm thấy kỳ quái đến vậy
• Vai trò bất ngờ của Dịch vụ Bưu điện trong việc sống sót trước ngày tận thế
• 👁 Tại sao trí tuệ nhân tạo không thể hiểu được nguyên nhân và kết quả? Cộng thêm: Nhận tin tức AI mới nhất
• 🏃🏽‍♀️ Muốn có những công cụ tốt nhất để trở nên khỏe mạnh? Hãy kiểm tra các lựa chọn của đội Gear chúng tôi cho những bộ theo dõi sức khỏe tốt nhất, trang thiết bị chạy bộ (bao gồm giày dép và tất), và tai nghe tốt nhất