Pin mặt trời thế hệ tiếp theo có thể đạt hiệu suất lớn hơn 24%

Pin mặt trời thế hệ mới do nhóm nghiên cứu của GS.TS Thomas Riedl tại Đại học Wuppertal cùng với các nhà khoa học thuộc Viện Hóa lý tại Đại học Cologne và đối tác dự án của Đại học Potsdam, Tübingen, Helmholtz-Zentrum Berlin và Max-Planck-Institut für Eisenforschng ở Düsseldorf.

Kết quả công trình nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature với tiêu đề "Perovskite – pin mặt trời song song hữu cơ với kết nối liên kết oxit indium."

Công nghệ pin mặt trời thông thường trên cơ sở silicon bán dẫn hiện được coi là "tốt nhất có được". Những nghiên cứu cải thiện về hiệu quả pin mặt trời silicon để thu được nhiều watt công suất điện trên mỗi watt bức xạ mặt trời không thành công.

Thực tế đó đòi hỏi phát triển các công nghệ năng lượng mặt trời mới, nhằm thúc đẩy nhanh quá trình chuyển đổi năng lượng.

Hai vật liệu hấp thụ năng lượng mặt trời mới đã được đưa vào ứng dụng trong công trình này. Các nhà khoa học đã sử dụng chất bán dẫn hữu cơ, những hợp chất gốc carbon có thể dẫn điện trong những điều kiện nhất định, ghép nối với perovskite trên cơ sở hợp chất chì - halogen có đặc tính bán dẫn tuyệt vời.

Do ánh sáng mặt trời bao gồm những thành phần quang phổ khác nhau, nên các tế bào năng lượng mặt trời hoạt động hiệu quả phải chuyển đổi càng nhiều ánh sáng mặt trời này thành điện năng càng tốt. Hiệu ứng này có thể đạt được với kỹ thuật tế bào song song, các vật liệu bán dẫn khác nhau kết hợp trong pin mặt trời, mỗi vật liệu hấp thụ một số dải quang phổ mặt trời khác nhau .

Trong nghiên cứu này, chất bán dẫn hữu cơ được sử dụng cho quang phổ phần tử ngoại và phần nhìn thấy của ánh sáng, perovskite hấp thụ hiệu quả quang phổ vùng cận hồng ngoại. Những tổ hợp vật liệu tương tự đã được khám phá trước đây và nhóm nghiên cứu đã thành công tăng đáng kể hiệu suất tổ hợp vật liệu.

Khi bắt đầu thử nghiệp, các tế bào perovskite - tế bào hữu cơ tốt nhất thế giới có hiệu suất khoảng 20%. Nhóm nghiên cứu Đại học Wuppertal, Đại học Cologne cùng với các nhóm nghiên cứu khác đã tăng giá trị này lên 24%.

Để đạt được hiệu suất cao này, tổn thất tại bề mặt tiếp xúc giữa các vật liệu trong pin mặt trời phải được giảm thiểu. Nhóm ở Wuppertal phát triển kỹ thuật kết nối liên kết nối các cặp đôi tế bào con hữu cơ và tế bào con perovskite về điện tử và quang học.

Bên trái là pin mặt trời song song được tiếp xúc trong bộ mô phỏng năng lượng mặt trời tại Đại học Wuppertal, bên phải là thiết bị đo mức năng lượng bằng quang phổ quang điện tử tại Đại học Cologne.
(Ảnh trái: Cedric Kreusel, Wuppertal - Ảnhphải: Selina Olthof, Cologne)

Khi các cặp đôi tế bào kết nối với nhau, một lớp oxit indium mỏng được tích hợp vào pin mặt trời với độ dày 1,5 nanomet đảm bảo tổn thất điện tử ở mức thấp nhất có thể.

Nhóm nghiên cứu Cologne đánh giá những thuộc tính năng lượng và điện của các giao diện và kết nối liên kết nối, xác định những quá trình tổn thất và tối ưu hóa hơn nữa các thành phần.

Mô phỏng của nhóm nhà khoa học Wuppertal cho thấy kỹ thuật các tế bào song song có thể đạt đến hiệu suất hơn 30% trong tương lai với phương pháp này.