Trợ lý Giáo sư Hóa học và Hóa sinh của Đại học Bang Florida Lea Nienhaus và cựu nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ của FSU Sarah Wieghold đang tiến hành tìm hiểu các quy trình cơ bản trong một loại vật liệu có tên là perovskites. Điều này có thể làm cho pin mặt trời hoạt động hiệu quả hơn đồng thời gia tăng khả năng chống lại sự suy thoái . Họ phát hiện ra rằng những điều chỉnh nhỏ đối với cấu tạo hóa học của vật liệu cũng như cường độ điện trường mà nó tiếp xúc có thể ảnh hưởng lớn đến độ ổn định tổng thể của vật liệu.

Công trình mới nhất của họ được xuất bản trong một cặp nghiên cứu trên Tạp chí Hóa học Vật liệu C và Tạp chí Vật lý Ứng dụng.

Nghiên cứu của họ tập trung vào việc cải thiện tiềm năng của perovskites, một vật liệu có cấu trúc tinh thể dựa trên các ion chì tích điện dương được gọi là cation và anion halogenua tích điện âm. Trong cấu trúc tinh thể perovskite lập phương, khối bát diện được tạo thành bởi các ion chì và halogenua được bao quanh bởi các cation tích điện dương bổ sung.

Các loại pin mặt trời perovskite đầu tiên được phát triển vào năm 2006 có hiệu suất chuyển đổi thành năng lượng mặt trời khoảng 3% trong khi những pin được phát triển vào năm 2020 có hiệu suất chuyển đổi điện năng tới hơn 25%. Sự gia tăng nhanh chóng về mặt hiệu quả làm cho chúng trở thành loại vật liệu đầy tiềm năng cho các nghiên cứu sâu hơn nhưng cũng có những hạn chế đối với khả năng tồn tại về mặt thương mại, chẳng hạn như chiều hướng phân hủy nhanh chóng.

"Làm thế nào chúng ta có thể làm cho pin perovskites trở nên ổn định hơn trong các điều kiện thực tế?" Nienhaus cho biết. "Điều gì đang gây ra sự suy thoái? Đó là những gì chúng tôi đang cố gắng tìm hiểu. Việc pin perovskites không bị phân hủy nhanh chóng có thể trở thành công cụ giá trị để thu được nhiều năng lượng hơn từ pin mặt trời."

Perovskites còn được gọi là "vật liệu mềm", bất chấp các liên kết ion của mạng tinh thể tạo nên cấu trúc của chúng. Halogenua hoặc cation trong vật liệu có thể di chuyển qua mạng tinh thể đó, làm tăng tốc độ phân hủy của chúng, dẫn đến tính thiếu ổn định lâu dài.

Trong bài báo của Tạp chí Hóa học Vật liệu C, các nhà nghiên cứu đã điều tra ảnh hưởng tổng hợp của ánh sáng và nhiệt độ tăng lên hiệu suất của perovskit hỗn hợp-cation-halogenua.

Họ phát hiện ra rằng việc thêm một lượng nhỏ nguyên tố xêzi vào màng perovskite làm tăng tính ổn định của vật liệu dưới ánh sáng và nhiệt độ cao. Mặt khác, việc thêm rubidi lại dẫn đến hiệu suất kém hơn.

Wieghold, hiện là trợ lý nhà khoa học tại Trung tâm Vật liệu nano và Nguồn Photon tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne Nâng cao cho biết: “Chúng tôi nhận thấy rằng tùy thuộc vào sự lựa chọn của cation, có thể quan sát thấy hai cách suy thoái trong các vật liệu này, từ đó có mối tương quan đến sự giảm hiệu suất. Chúng tôi cũng cho thấy rằng việc bổ sung cesium làm tăng độ ổn định của màng trong các điều kiện thử nghiệm của chúng tôi. Có thể nói đây là kết quả rất hứa hẹn."

Họ cũng phát hiện ra rằng sự giảm hiệu suất của màng đối với các hỗn hợp perovskite kém bền hơn có liên quan đến sự hình thành của hợp chất chì bromua / iodua và sự gia tăng tương tác electron-phonon. Sự hình thành chì bromua / iotua là do cơ chế phân hủy không mong muốn, cần phải tránh để đạt được sự ổn định lâu dài và hiệu suất của các pin mặt trời perovskite này.

Trong bài báo của Tạp chí Vật lý Ứng dụng, họ đã khám phá mối liên hệ giữa điện áp và hiệu suất của vật liệu perovskite. Điều này cho thấy sự chuyển động của ion trong vật liệu làm thay đổi phản ứng điện cơ bản, đây sẽ là một yếu tố quan trọng trong hiệu suất quang điện.

"Perovskites mang đến một cơ hội tuyệt vời cho tương lai của pin mặt trời và thật tuyệt vời khi chúng giúp thúc đẩy ngành khoa học này tiến lên", Nienhaus nói.

Link: https://www.sciencedaily.com/releases/2020/10/201026164422.htm