Cách mạng hóa năng lượng mặt trời, các nhà nghiên cứu đã kết hợp các lớp perovskite 2D và 3D để đạt được hiệu suất đột phá 31,16% — mở ra con đường cho tương lai của công nghệ năng lượng mặt trời.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Madan Mohan Malaviya (Ấn Độ), Đại học Delhi, và Đại học Manipal, cùng với Viện Nghiên cứu Vật liệu và Khoa học Ứng dụng IAAM của Thụy Điển, đã phát triển một thiết kế pin mặt trời lai bằng cách kết hợp các lớp perovskite 2D và 3D. Sử dụng perovskite 2D Dion-Jacobson (DJ) PeDAMA4Pb5I16 kết hợp với CsGeI3-xBrx (x=1) không chứa chì cho lớp 3D, cấu trúc tối ưu hóa kết hợp nhiều vật liệu, bao gồm ETLs và HTLs, để nâng cao hiệu suất thiết bị.

Nghiên cứu phát hiện rằng cấu trúc sáng tạo này cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE), đạt được 31,16%, với các chỉ số hiệu suất khác như dòng ngắn mạch (JSC) đạt 22,55 mA.cm^-2, hệ số lấp đầy (FF) là 88,47% và điện áp hở mạch (VOC) là 1,5617 V. Những kết quả hứa hẹn này cho thấy tiềm năng của pin mặt trời perovskite DJ 2D-3D trong việc nâng cao hiệu suất và độ tin cậy cho các ứng dụng trong tương lai.

Pin Mặt Trời Perovskite Lai 2D-3D Cải Thiện Hiệu Suất Chuyển Đổi Năng Lượng Như Thế Nào?

Dưới đây là các điểm chính giải thích cách mà pin mặt trời perovskite lai 2D-3D cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE):

• Tối ưu hóa cấu trúc lớp: Sự kết hợp giữa các lớp perovskite 2D và 3D cho phép thiết kế một khoảng chênh lệch năng lượng được kỹ thuật hóa cẩn thận, cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng trên một phổ rộng hơn và nâng cao quá trình chuyển đổi năng lượng tổng thể.
• Cải thiện hấp thụ ánh sáng: Perovskite 2D thường có đặc tính hấp thụ ánh sáng tốt hơn, trong khi perovskite 3D cung cấp các con đường bổ sung để bắt giữ ánh sáng hiệu quả. Hiệu ứng cộng sinh này giúp tối đa hóa việc thu thập photon.
• Khử khuyết tật: Sự hiện diện của các lớp 2D có thể khử khuyết tật có trong cấu trúc 3D, giảm thiểu tổn thất tái kết hợp không phát quang, vốn có thể làm giảm hiệu suất.
• Cải thiện độ ổn định: Cấu trúc lai có xu hướng thể hiện độ ổn định cao hơn dưới các điều kiện môi trường khác nhau (thay đổi nhiệt độ, độ ẩm, v.v.), giúp duy trì hiệu suất ổn định theo thời gian.
• Động lực học mang tải điện: Phương pháp thiết kế lớp có thể cải thiện hiệu quả vận chuyển mang tải điện. Lớp 2D hỗ trợ vận chuyển lỗ, trong khi lớp 3D hỗ trợ vận chuyển electron, giúp giảm tổn thất tái kết hợp.
• Tối ưu hóa giao diện lớp: Bằng cách kết nối các lớp 2D và 3D, các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh môi trường giữa các lớp để tối ưu hóa quá trình trích xuất mang tải điện, góp phần cải thiện hệ số lấp đầy (FF) và hiệu suất tổng thể.
• Vật liệu thay thế không chì: Việc sử dụng vật liệu perovskite 3D không chứa chì, như CsGeI3-xBrx, không chỉ giải quyết vấn đề môi trường liên quan đến các vật liệu độc hại mà còn mở ra cơ hội đạt được hiệu suất tương tự hoặc tốt hơn so với các biến thể có chì truyền thống.
• Tối ưu hóa chỉ số hiệu suất: Thiết kế cho phép điều chỉnh các tham số quan trọng như dòng ngắn mạch (JSC) và điện áp hở mạch (VOC), từ đó tối ưu hóa các chỉ số chuyển đổi năng lượng tổng thể của các tế bào quang điện.
• Tiềm năng ứng dụng trong các tế bào tandem: Cấu trúc lai cung cấp một cơ sở hứa hẹn cho các thiết kế pin mặt trời tandem, trong đó lớp perovskite 2D-3D có thể được kết hợp với các công nghệ pin mặt trời khác (chẳng hạn như silicon) để tạo ra các tấm pin mặt trời đa tiếp giáp hiệu quả hơn.
• Giảm chi phí xử lý: Các cải tiến trong cấu trúc perovskite lai cũng mở đường cho các quy trình sản xuất tiềm năng với chi phí thấp hơn, có thể giúp công nghệ năng lượng mặt trời dễ tiếp cận và khả thi hơn cho việc sản xuất quy mô lớn.

Những cải tiến này góp phần vào hiệu suất và độ tin cậy cao hơn của pin mặt trời perovskite lai 2D-3D, mở ra một lộ trình khả thi cho thế hệ công nghệ quang điện tiếp theo.