Giới thiệu về Pin mặt trời Perovskite
Cấu trúc của pin mặt trời perovskite được minh họa trong hình bên dưới. Lõi của nó là vật liệu hấp thụ ánh sáng được cấu tạo từ các halogen hữu cơ kim loại với cấu trúc tinh thể perovskite (ABX₃) (cấu trúc ô đơn vị được thể hiện trong hình đính kèm). Trong cấu trúc perovskite ABX₃ này,MỘTlà nhóm metyl amoni (CH₃NH₃⁺),Blà một nguyên tử chì kim loại, vàXlà một nguyên tử halogen như clo, brom hoặc iốt. Hiện nay, vật liệu perovskite phổ biến nhất trong pin mặt trời perovskite hiệu suất cao làmetyl amoni chì iodua (CH₃NH₃PbI₃). Nó có một khoảng cách băng tần khoảng1,5 eVvà hệ số tiêu quang cao; một màng mỏng chỉ dày vài trăm nanomet có thể hấp thụ đủ ánh sáng mặt trời lên đến 800 nm. Hơn nữa, vật liệu này rất dễ chế tạo—có thể tạo ra một màng mỏng đồng nhất bằng cách phủ quay dung dịch chứa PbI₂ và CH₃NH₃I ở nhiệt độ phòng. Những đặc tính này cho phép cấu trúc perovskite CH₃NH₃PbI₃ không chỉ hấp thụ ánh sáng khả kiến và một phần quang phổ cận hồng ngoại mà còn tạo ra các hạt mang quang sinh ít bị tái hợp hơn, với tổn thất năng lượng tối thiểu. Đây là lý do cơ bản tại sao pin mặt trời perovskite có thể đạt hiệu suất cao.
Hình: Cấu trúc tinh thể của vật liệu perovskite (lấy CH₃NH₃PbI₃ làm ví dụ) và sơ đồ cấu trúc của pin mặt trời perovskite.
Do cấu trúc tinh thể tương đối phức tạp, đặt ra những yêu cầu nghiêm ngặt về bán kính của các nguyên tử (hoặc nhóm) tại các vị trí A, B và X, nên thành phần của vật liệu hấp thụ ánh sáng perovskite tương đối cố định. Gần đây, một số nhóm nghiên cứu đã thay thế nhóm methylammonium tại vị trí A bằngformamidinium (FA⁺), thu hẹp khoảng cách băng tần thành1,48 eVvà đạt được dòng quang điện cao hơn. Đối vớiTrang B, việc thay thế chì (Pb) bằng thiếc (Sn) vẫn chưa dẫn đến bất kỳ phản ứng quang điện nào được báo cáo. Đối vớiTrang web X, các nguyên tử như clo, brom hoặc iốt có thể được sử dụng, nhưng chỉ perovskite gốc iốt mới có khoảng cách dải phù hợp để đạt hiệu suất chuyển đổi cao. Bên cạnh CH₃NH₃PbI₃,CH₃NH₃PbI₃₋ₓClₓcũng được nghiên cứu rộng rãi. Trong khi vẫn duy trì cấu trúc mức năng lượng cơ bản, một lượng nhỏ pha tạp clo có thể cải thiện độ linh động của electron, thể hiện hiệu suất quang điện vượt trội. Tuy nhiên, so với vật liệu nền silicon, vật liệu hấp thụ ánh sáng perovskite thường được sử dụng có những nhược điểm nhưphạm vi phản ứng ánh sáng không đủ rộng, nhạy cảm với nước và một số dung môi, và chứa chì kim loại nặng. Do đó, việc tìm kiếm vật liệu perovskite vớikhoảng cách băng hẹp hơn, độ ổn định hóa học tốt hơn và thân thiện với môi trườngcó ý nghĩa rất lớn.
Sự phát triển của pin mặt trời màng mỏng perovskite có nguồn gốc từpin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm (DSSC). Tận dụng các công nghệ tích lũy trong hai thập kỷ qua trong DSSC, pin mặt trời hữu cơ và các loại khác, pin mặt trời perovskite đã phát triển nhanh chóng. Các pin mặt trời perovskite đầu tiên được sử dụngCH₃NH₃PbI₃ để làm nhạy cảm các anot quang TiO₂ và chất điện phân I₃⁻/I⁻ dạng lỏng, đạt được hiệu quả chỉ3,8%(tối ưu hóa đến 6,5%). Tuy nhiên, do CH₃NH₃PbI₃ trong dung dịch điện phân I₃⁻/I⁻ không ổn định, độ ổn định của pin kém, và nghiên cứu trong lĩnh vực này hiện nay còn hạn chế. Việc thay thế dung dịch điện phân I₃⁻/I⁻ bằngvật liệu vận chuyển lỗ rắn (HTM)(ví dụ, spiro-OMeTAD, P3HT) cải thiện đáng kể hiệu quả của tế bào, đạt tới16%, vượt qua hiệu suất cao nhất của pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm (13%) và thể hiện tính ổn định tốt.
Dựa trên điều này,H. Snaith và cộng sựthay thế lớp khung xốp chất bán dẫn loại n TiO₂ bằng vật liệu cách điện nhưAl₂O₃ hoặc ZrO₂và các tế bào màng mỏng lắp ráp sử dụng vật liệu dẫn lỗ trống, cũng đạt hiệu suất cao (hiệu suất cao nhất được báo cáo là 15,9%). Kết quả này cho thấy bản thân vật liệu perovskite CH₃NH₃PbI₃ có khả năng dẫn điện tử tốt. Về nguyên tắc, pin mặt trời perovskite dựa trên các lớp khung vật liệu cách điện đã vượt ra khỏi khái niệm nhạy cảm hóa truyền thống, trở thànhpin mặt trời dị hợp siêu cấu trúc mesoscopic. Hơn nữa, bằng cách loại bỏ lớp giàn giáo cách điện và sử dụng màng perovskite chất lượng cao đồng nhất,tế bào dị hợp phẳngcũng có thể đạt hiệu suất cao (hiệu suất cao nhất được báo cáo là 15,7%). Mặt khác, ngay cả khi không có vật liệu vận chuyển lỗ trống, một tế bào dị hợp hình thành giữa perovskite và TiO₂ xốp đã đạt hiệu suất 10,5%. Trong cấu trúc này, tương tự như pin mặt trời chấm lượng tử dạng keo, perovskite đảm nhiệm hai chức năng: hấp thụ ánh sáng và vận chuyển lỗ trống. Ngoài ra, việc sử dụng vật liệu perovskite làm lớp hấp thụ ánh sáng trongcấu trúc pin mặt trời hữu cơ, với dẫn xuất fullerene PCBM làm lớp vận chuyển điện tử và PEDOT:PSS làm lớp vận chuyển lỗ, hiệu suất vượt quá12%đã đạt được, vượt trội hơn hẳn những kết quả tốt nhất của pin mặt trời hữu cơ/polymer truyền thống. Điều đáng nói là pin mặt trời perovskite dựa trên cấu trúc pin mặt trời hữu cơ có thể được chế tạocuộn linh hoạt và được sản xuất theo dạng cuộn để sản xuất quy mô lớn. Hiện nay, các tế bào perovskite linh hoạt như vậy đã đạt được hiệu suất cao9,2%.
Hình: Cấu trúc của pin mặt trời perovskite.
Thực tế là vật liệu perovskite có thể đạt được hiệu quả vượt quá10%trong những cấu trúc pin mặt trời rất khác nhau này cho thấy rằng, trong các ứng dụng thực tế trong tương lai,nhiều cấu trúc có thể cùng tồn tại và cạnh tranhĐồng thời, việc nghiên cứu chuyên sâu và hiểu biết về các đặc tính cơ bản của vật liệu và nguyên lý hoạt động của pin là rất quan trọng. Điều này không chỉ giúp cải thiện hơn nữa hiệu suất của pin mặt trời perovskite mà còn cung cấp thông tin chi tiết để phát triển các cấu trúc mới đơn giản hơn hoặc hiệu quả hơn.
