Thiết kế mới giúp pin mặt trời perovskite chống chịu thời tiết khắc nghiệt

Pin mặt trời perovskite là một trong những công nghệ đầy hứa hẹn giúp làm giảm chi phí năng lượng mặt trời. Để đạt được các mục tiêu, pin mặt trời phải tồn tại trong nhiều thập kỷ. Mặc dù perovskite đã đạt được hiệu suất kỷ lục trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, nhưng chúng phải đối mặt với một kẻ thù khắc nghiệt trong tự nhiên: sự thay đổi nhiệt độ cực đoan. Các chuyên gia gọi đây là chu kỳ nhiệt. Chỉ trong một ngày, một tấm pin mặt trời có thể dao động từ những đêm lạnh giá đến những ngày nắng nóng như thiêu đốt. Những điều kiện thực tế này, sự gia nhiệt và làm nguội lặp đi lặp lại, có thể kích hoạt giai đoạn suy thoái sớm, trong đó các tế bào quang điện perovskite có thể mất đi hiệu suất tương đối của chúng.

Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Peter Müller-Buschbaum (Đại học Kỹ thuật Munich, Đức) đã xác định được các nguyên nhân vi mô của sự không ổn định này. Họ đã phát triển các chiến lược thiết kế mới để làm cho lớp trên cùng của các tế bào quang điện song song trở nên bền hơn, cho phép chúng chịu được các điều kiện thực tế. Các tế bào quang điện song song được tạo thành từ các tế bào quang điện xếp chồng lên nhau (tối thiểu hai tế bào) và do đó tận dụng ánh sáng mặt trời tốt hơn.

Nhóm nghiên cứu đã phát hiện các tế bào được gọi là tế bào có dải năng lượng rộng hiệu suất cao - các tế bào phía trên trong một tế bào quang điện song song. Sử dụng phép đo tia X độ phân giải cao tại DESY, nhóm nghiên cứu đã quan sát vật liệu "thở" trong thời gian thực khi nhiệt độ thay đổi nhanh chóng; mạng tinh thể giãn nở và co lại định kỳ để đáp ứng với sự dao động nhiệt độ nhanh. Phát hiện này rất đáng chú ý: sự suy giảm xảy ra trong giai đoạn khởi động ban đầu rất lớn, nơi các tế bào có thể mất tới 60% hiệu suất tương đối.

Để ổn định vật liệu tinh thể nhạy cảm - nhằm ngăn vật liệu bị phân rã, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các phân tử hữu cơ đặc biệt hoạt động như các chất đệm, giữ cấu trúc lại với nhau - giống như một giàn giáo phân tử. Bằng cách so sánh các chất đệm khác nhau, các nhà nghiên cứu đã tìm ra một giải pháp tối ưu: trong khi các chất đệm thông thường dẫn đến sự phá vỡ cấu trúc, phân tử hữu cơ PDMA có kích thước lớn hơn lại hoạt động như một chất neo vượt trội. Kết quả là một tế bào quang điện mạnh mẽ hơn đáng kể, vẫn ổn định ngay cả dưới tác động cơ học của quá trình gia nhiệt và làm nguội nhanh.

Theo GS. Peter Müller-Buschbaum, việc hiểu rõ các cơ chế mới có thể giúp định hướng cho thế hệ module năng lượng mặt trời mới vừa có hiệu suất cao vừa đủ bền để sử dụng ngoài trời trong nhiều thập kỷ.

Hoàng Kim - Theo https://techxplore.com/