News Details

Hiệu suất tốt hơn của vật liệu pin mặt trời dưới áp lực

Pin mặt trời điện làm từ silicon và perovskite, đặc biệt là các biến thể perovskite chứa halogen hỗn hợp (như iốt và brom) hiệu quả hơn và rẻ hơn so với pin mặt trời silicon truyền thống. Điều này là do họ có thể chuyển đổi nhiều năng lượng mặt trời thành điện năng hơn. Tuy nhiên, perovskite bị phân hủy dưới tác dụng của ánh sáng và vẫn không phù hợp cho mục đích thương mại. Bằng cách thay thế các cation (ion tích điện dương) trong cấu trúc perovskite, độ ổn định của vật liệu có thể được cải thiện. Các nhà nghiên cứu từ Viện Vật lý Nguyên tử và Phân tử Hà Lan (AMOLF) tiết lộ rằng sự gia tăng độ ổn định này đến từ việc nén cấu trúc và tác động của nó tương đương với việc tạo áp lực đáng kể lên vật liệu. Kết quả nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí Cell Reports Physical Science.



Trực giác hóa học

Perovskite bao gồm một ion chì và các ion halogenua (chẳng hạn như các ion bromide và iodide) xung quanh nó. Điều này tạo thành một cấu trúc ba chiều có hình dạng giống như một cái lồng chứa đầy cation, chẳng hạn như các ion methylamoni. Vấn đề là khi cấu trúc này tiếp xúc với ánh sáng, các ion bromide hoặc ion iodide sẽ tập trung ở các vùng khác nhau của vật liệu. Bằng cách này, lợi thế của việc trộn brom và iốt trong cấu trúc perovskite sẽ không còn tồn tại, vốn là một phần chính của quang phổ. Một phần năng lượng sẽ được chuyển hóa thành nhiệt năng thay vì điện năng.

Eline Hutter là một nhà hóa học giàu kinh nghiệm và cho đến năm nay cô vẫn là nhà nghiên cứu của AMOLF. Cô nghĩ rằng việc tác dụng áp suất cao lên vật liệu có thể ngăn chặn sự phân tách đồng thời các ion halogen. "Lúc đó tôi không biết chính xác tại sao lại như vậy. Tôi gọi nó là trực giác hóa học."


Thí nghiệm đầy thử thách

Nhóm pin mặt trời lai tại AMOLF trước đây đã phát triển một thiết bị rất hữu ích cho loại nghiên cứu này: máy quang phổ hấp thụ thoáng qua (TAS) có thể đo các đặc tính điện tử của perovskites dưới áp suất cực cao. Bruno Ehrler, trưởng nhóm cho biết: “Không có thiết bị nào khác trên thế giới có thể so sánh với nó. Nó có thể kết hợp máy quang phổ hấp thụ nhất thời với bình áp suất”. "Nhưng ban đầu tôi nghi ngờ ý tưởng của Eline bởi vì chúng ta. Thí nghiệm phải thực hiện dường như quá khó khăn."



Cùng với đồng nghiệp Loreta Muscarella, Eline Hutter đã sử dụng thiết bị này để đo lường những gì xảy ra với vật liệu perovskite dưới ánh sáng. “Nếu áp suất không tác dụng lên vật liệu, chúng tôi sẽ quan sát thấy sự phân tách brom và iốt. Ở áp suất 3000 bar, chúng tôi thấy rằng sự phân tách không xảy ra nữa”.


Giải pháp thiết thực

Kết quả này khẳng định phỏng đoán của Hutter rằng không gian tự do trong vật liệu này và áp suất tương ứng đóng vai trò then chốt trong việc tách các halogen. Mặc dù việc chế tạo pin mặt trời với điện áp cao như vậy là không thực tế, nhưng có một giải pháp thực tế, Hutter giải thích: “Nếu chúng ta thay thế các cation trong cấu trúc lồng perovskite bằng các cation nhỏ hơn, chẳng hạn như ion Caesium, thì sẽ xảy ra hiện tượng gọi là hóa học. xảy ra sự co ngót. Toàn bộ cấu trúc co lại, giống như đất co lại khi khô. Hiệu ứng này hoàn toàn giống với hiệu ứng được tạo ra bằng cách tác dụng áp suất cao lên vật liệu."

Sau đó, Hutter và các đồng nghiệp của cô đã sử dụng máy quang phổ hấp thụ nhất thời để xác minh rằng sự phân tách brom và iốt trong perovskite liên kết hóa học này không còn xảy ra nữa. Bằng cách này, họ đã chứng minh được một khía cạnh rất quan trọng của lý thuyết mà trước đây mọi người đã lãng quên: khối lượng của vật liệu trước đây chưa được đưa vào tính toán. Hutter nói: “Theo tôi, phần thú vị của nghiên cứu này là mối liên hệ giữa áp lực bên trong và áp lực bên ngoài”.

Đây là một phát hiện quan trọng giúp ổn định cấu trúc của perovskite. Ehrler cho biết: “Nghiên cứu trước đây tập trung vào động học, nghĩa là làm chậm quá trình phân tách các ion bằng cách làm chậm chuyển động của các ion. Bây giờ chúng tôi đã xác nhận rằng bằng cách tăng áp suất cao, thay đổi các điều kiện nhiệt động, ngay cả khi các ion chuyển động nhanh, việc tách brom và iốt không tiết kiệm năng lượng nên hiện tượng tách này không xảy ra”.