Pin mặt trời và nỗ lực tìm kiếm vật liệu mới

Trong năm 1954, những pin mặt trời đầu tiên đã được chế tạo tại phòng thí nghiệm Bell sử dụng các vật liệu tinh thể silicon. Sau nhiều thập kỷ phát triển, công nghệ tinh thể silicon hiện đã chiếm lĩnh thị trường các thiết bị pin mặt trời với khoảng 90% thị phần. Phần nhỏ còn lại được phân chia cho các công nghệ mới nổi, sử dụng DSSC (dye-sensitized solar cells), pin mặt trời hữu cơ, pin mặt trời sử dụng các bán dẫn vô định hình, pin mặt trời sử dụng các màng mỏng đa tinh thể, pin mặt trời sử dụng vật liệu perovskite… Để có thể cạnh tranh được với pin mặt trời sử dụng các tinh thể silicon, những pin mặt trời thế hệ mới phải đồng thời đáp ứng được 3 điều kiện: hiệu suất pin cao, độ bền của pin tốt và công nghệ chế tạo đơn giản, rẻ tiền.

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, GS Miyasaka 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 của 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 không ổn định của pin. Chính vì thế, những pin mặt trời perovskite thế hệ đầu này đã không nhận được nhiều mối quan tâm của giới khoa học.

Cơn sốt perovskite chỉ bắt đầu xuất hiện vào năm 2012, khi lần đầu tiên GS Snaith (người Anh) chế tạo thành công pin mặt trời perovksite sử dụng các lớp chuyển tiếp lỗ trống dạng rắn thay thế cho lớp điện phân. Pin mặt trời của Snaith đã thể hiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng lớn hơn 10% thông qua phương pháp chế tạo rẻ tiền quay phủ. Sau cú hích này, một loạt công trình trên thế giới đã hướng vào nghiên cứu chế tạo pin mặt trời perovskite, tạo ra những cơn sốt trong sản xuất loại pin này. Và tới những năm cuối của thập kỷ, các pin mặt trời perovskite đã đạt được hiệu suất lớn hơn 20% 2. Đây là một kết quả đáng kinh ngạc về hiệu suất nhưng lại hạn chế về độ bền.

Pin mặt trời perovskite có giá thành hợp lý, độ bền cao

Mặc dù trên 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, dẫn đến 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.

Nhóm nghiên cứu của TS Đào Quang Duy (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN hiện 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. TS Đào Quang Duy nhấn mạnh rằng, các vật liệu này rất dễ kết tinh (qua đó tăng cường độ dẫn) bằng những phương pháp ủ nhiệt đơn giản. Hiện tại, nhóm của TS Duy và GS Ozaki đã chế tạo thành công những pin mặt trời perovskite sử dụng nguyên tử nhỏ phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin làm lớp chuyển tiếp lỗ trống. Kết quả cho thấy, các lớp perovskite khi kết hợp với các lớp nguyên tử nhỏ phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin không pha tạp các chất bán dẫn khác có độ bền lớn gấp 2 lần các lớp perovskite kết hợp với lớp chuyển tiếp lỗ trống truyển thống như PTAA. Ngoài ra, khi so sánh hiệu suất của việc sử dụng các lớp chuyển tiếp lỗ trống nguyên tử nhỏ phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin với các pin sử dụng vật liệu lỗ trống truyền thống thì đạt được hiệu suất tương đương nhau (khoảng 15%).

Mặc dù pin mặt trời perovskite do nhóm TS Đào Quang Duy chế tạo bước đầu mới chỉ đạt hiệu suất 15%, thấp hơn thế giới (hiện đang là 20%), nhưng các chuyên gia đánh giá là chấp nhận được vì tất cả các lớp như: lớp perovskite, lớp chuyển tiếp điện tử, lớp chuyển tiếp lỗ trống, cấu trúc của pin… đều được tối ưu hóa. Hơn nữa, việc pin mặt trời perovskite sử dụng vật liệu nguyên tử nhỏ phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin làm lớp chuyển tiếp lỗ trống thể hiện một hiệu suất tương đương với pin chế tạo cùng điều kiện sử dụng các vật liệu lỗ trống truyền thống và việc chúng có thể nâng cao độ bền của lớp perovksite là một tín hiệu đáng mừng vì mở ra một hướng sản xuất pin mặt trời có giá thành hợp lý, độ bền cao. “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 của pin, qua đó giúp công nghệ sản xuất pin mặt trời perovskite tiến thêm một bước trong quá trình thương mại hóa” - TS Duy cho biết về hướng đi trong tương lai.