Ngày 27 tháng 2023 năm XNUMX (Tiêu điểm Nanowerk) Các nhà nghiên cứu từ lâu đã tìm cách tối đa hóa hiệu quả của perovskite pin mặt trời đồng thời giảm thiểu chi phí sản xuất. Màng pin mặt trời mỏng hơn cho phép sản xuất với chi phí thấp nhưng hạn chế hiệu quả. Màng dày hơn giúp nâng cao hiệu quả nhưng dễ mắc các khiếm khuyết làm giảm hiệu suất. Tuy nhiên, những nỗ lực trước đây nhằm tạo màng perovskite ở quy mô micron đã phải chịu sự sụt giảm đáng kể về hệ số lấp đầy và điện áp. Từ đó hạn chế tiềm năng hiệu quả của chúng. Đạt được sự cân bằng tối ưu giữa độ dày và hiệu quả đã chứng tỏ là một thách thức lâu dài.
Những đổi mới gần đây về vật liệu và sản xuất đã đưa pin mặt trời perovskite đến đỉnh cao khả năng thương mại. Hiệu suất hiện có thể cạnh tranh với các tế bào silicon truyền thống trong khi đòi hỏi ít năng lượng và chi phí sản xuất hơn. Tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi hơn phụ thuộc vào việc cải thiện hiệu suất và độ ổn định trong khi vẫn duy trì các kỹ thuật chế tạo tiết kiệm.
Công việc mới của một nhóm tại Forschungszentrum Jülich ở Đức, được báo cáo trên Vật liệu năng lượng tiên tiến (“Hai lớp vận chuyển lỗ cho pin mặt trời Perovskite dày micromet hiệu quả”), về cơ bản nhận ra vai trò quan trọng của các lớp vận chuyển trong việc làm trầm trọng thêm tổn thất phụ thuộc vào độ dày. Ngay cả với độ linh động/tuổi thọ hấp thụ hoàn hảo. Bằng cách tối ưu hóa kiến trúc vận chuyển lỗ hai lớp để giảm tổn thất điện trở và tái hợp, các tác giả đã đạt được hiệu suất duy trì vượt trội ở độ dày trên 1 micron.
a) So sánh FF với độ dày và khoảng cách màng perovskite tương ứng trong các báo cáo đại diện và công việc này. b) Đường cong J-V được chiếu sáng của pin mặt trời perovskite với độ dày khác nhau dựa trên Me-4PACz, các thông số hiệu suất của tế bào được liệt kê trong Bảng S1, Thông tin hỗ trợ. c) Hệ số lấp đầy như là một hàm của vùng cấm theo Công thức (1) xem xét các điện trở khác nhau. (© Wiley-VCH Verlag)
Nghiên cứu này tập trung vào kiến trúc pin mặt trời khéo léo giúp tách biệt độ dày khỏi những hạn chế về hiệu quả. Bằng cách kẹp các màng hữu cơ đặc biệt xung quanh lớp perovskite, các tác giả có thể tạo ra độ dày ở quy mô micron mà không làm mất đi hiệu suất cao nhất. Thiết kế của họ đặc biệt đạt được hiệu suất vượt trội 20.2% ở độ dày trên 1 micron với tổn thất tối thiểu so với các phiên bản mỏng hơn.
Như tác giả chính Thomas Kirchartz giải thích: “Việc tạo ra các màng pin mặt trời dày hơn, hiệu quả cao hơn cho phép bao phủ các kim tự tháp nhỏ bằng các tấm silicon có kết cấu cần thiết cho các tế bào song song hiệu suất cao”. Những nỗ lực trước đây nhằm chế tạo màng perovskite dày hơn có xu hướng bị suy giảm hệ số lấp đầy và điện áp ở quy mô micron. Nhưng lớp kép vận chuyển điện tích độc đáo của các nhà nghiên cứu đã hạn chế sự suy giảm này. Qua đó chứng minh một lộ trình tích hợp perovskites vào các song song dựa trên silicon hiệu quả cao.
Vậy tại sao độ dày lại cản trở hiệu quả? Nói tóm lại, màng dày hơn sẽ làm trầm trọng thêm những khiếm khuyết nhỏ trong quá trình sản xuất, từ đó làm suy giảm hiệu suất một cách tích lũy. Mật độ khuyết tật tăng lên, giao diện gồ ghề, điện áp chùng xuống. Việc tách rời các cơ chế đan xen này đã tỏ ra vô cùng khó khăn.
Cái nhìn sâu sắc quan trọng của nhóm Kirchartz là nhận ra rằng chính các lớp vận chuyển đã áp đặt các giới hạn nội tại. Việc thu thập điện tích theo logic truyền thống phụ thuộc chủ yếu vào đặc tính hấp thụ. Tuy nhiên, việc trang bị các lớp vận chuyển có đủ độ dẫn và sự sắp xếp dải tối ưu sẽ giúp loại bỏ hoàn toàn các hạn chế về độ dày. Qua đó khắc phục được nhiều con đường thua lỗ trong một lần ngã.
Phát hiện này đã khiến các nhà nghiên cứu kẹp hai màng hữu cơ đặc biệt với những ưu điểm bổ sung xung quanh lõi perovskite. Lớp màng đơn lớp (SAM) tự lắp ráp phía dưới có khả năng dẫn điện và vận chuyển lỗ tuyệt vời. Trong khi đó, màng poly[bis(4-phenyl)]amine (PTAA) trên cùng mang lại khả năng kết hợp mạng tinh thể chặt chẽ và liên kết dải với perovskite. Pha trộn các biến thể SAM tương thích để tinh chỉnh các đặc tính bề mặt hơn nữa.
Các đặc tính tỉ mỉ cho thấy lớp vận chuyển kép giúp cắt giảm tổn thất điện trở, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chiết điện tích và cản trở sự tái hợp so với các màng SAM hoặc PTAA đơn lẻ. Qua đó cho phép hệ số lấp đầy và điện áp đặc biệt lần lượt đạt tới 80% và 1.2V ở độ dày trên 1 micron. Việc duy trì hiệu quả cao nhất đáng chú ý như vậy có thể giúp perovskite phát huy hết tiềm năng thương mại của chúng.
Tác động rộng hơn của pin mặt trời perovskite màng dày hiệu suất cao cần được nhấn mạnh. Cân micron phù hợp tốt với các công cụ sản xuất hiện có được tối ưu hóa cho silicon. Qua đó dễ dàng tích hợp với cơ sở hạ tầng hiện có. Việc tăng cường khả năng tương thích giữa perovskite tiên tiến và các công nghệ hiện có có thể thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi chúng.
Ngoài ra, màng perovskite dày phù hợp hơn với kết cấu của kim tự tháp tế bào silicon. Qua đó cải thiện hình học tế bào song song nhằm đạt hiệu suất kết hợp 45%. Do đó, Kirchartz tin rằng “bước trung gian để kích hoạt các tế bào trên cùng perovskite được xử lý bằng dung dịch hiệu quả trên các tế bào đáy Si có kết cấu cho các ứng dụng song song là khả năng thiết kế các cấu trúc tế bào với các khoảng trống dải cao phù hợp kết hợp với hiệu suất cao ở độ dày trên 1 µm”.
Tuy nhiên, công việc vẫn còn trước khi perovskite màng dày sẵn sàng thương mại hóa. Sự ổn định lâu dài vẫn còn thiếu trong khi tính hiệu quả và tính nhất quán của hiệu suất cần được cải thiện. Tuy nhiên, cột mốc hiệu suất vượt trội 20% ở quy mô micron thể hiện một bước ngoặt. Chứng minh khả năng thương mại của công nghệ quang điện mới nổi này.
Bước đột phá này tạo ra một cách hiệu quả các màng perovskite dày cần thiết để bao phủ các kim tự tháp silicon cho các tế bào song song hiệu quả cao. Qua đó giúp thực hiện lời hứa lâu dài về kiến trúc song song lai có khả năng mở rộng và kinh tế. Ngoài ra, việc đạt được hiệu suất trên 20% một cách đáng tin cậy ở quy mô micron phần lớn làm giảm bớt mối lo ngại về điện áp dưới mức trung bình và hệ số lấp đầy khi độ dày màng tăng lên. Qua đó khắc phục được một trong những sự đánh đổi hiệu suất và hiệu suất cứng đầu nhất đang cản trở các nỗ lực thương mại hóa.
Dựa trên những tiến bộ này, việc tối ưu hóa hơn nữa có tiềm năng nâng cao các giới hạn hiệu quả thậm chí vượt xa những mong đợi ban đầu. Khả năng tồn tại của pin mặt trời perovskite thân thiện với sản xuất với chi phí thấp giờ đây ngày càng có thể đạt được. Việc áp dụng rộng rãi sẽ sớm xảy ra trong khi chờ tăng cường mở rộng quy mô và cải thiện độ ổn định. Mặc dù công việc vẫn còn đó, việc chứng minh khả năng duy trì hiệu quả đặc biệt ở mức trên 20% đối với perovskites dày micron tạo thành một điểm uốn lịch sử.
a) So sánh FF với độ dày và khoảng cách màng perovskite tương ứng trong các báo cáo đại diện và công việc này. b) Đường cong J-V được chiếu sáng của pin mặt trời perovskite với độ dày khác nhau dựa trên Me-4PACz, các thông số hiệu suất của tế bào được liệt kê trong Bảng S1, Thông tin hỗ trợ. c) Hệ số lấp đầy như là một hàm của vùng cấm theo Công thức (1) xem xét các điện trở khác nhau. (© Wiley-VCH Verlag)
Nghiên cứu này tập trung vào kiến trúc pin mặt trời khéo léo giúp tách biệt độ dày khỏi những hạn chế về hiệu quả. Bằng cách kẹp các màng hữu cơ đặc biệt xung quanh lớp perovskite, các tác giả có thể tạo ra độ dày ở quy mô micron mà không làm mất đi hiệu suất cao nhất. Thiết kế của họ đặc biệt đạt được hiệu suất vượt trội 20.2% ở độ dày trên 1 micron với tổn thất tối thiểu so với các phiên bản mỏng hơn.
Như tác giả chính Thomas Kirchartz giải thích: “Việc tạo ra các màng pin mặt trời dày hơn, hiệu quả cao hơn cho phép bao phủ các kim tự tháp nhỏ bằng các tấm silicon có kết cấu cần thiết cho các tế bào song song hiệu suất cao”. Những nỗ lực trước đây nhằm chế tạo màng perovskite dày hơn có xu hướng bị suy giảm hệ số lấp đầy và điện áp ở quy mô micron. Nhưng lớp kép vận chuyển điện tích độc đáo của các nhà nghiên cứu đã hạn chế sự suy giảm này. Qua đó chứng minh một lộ trình tích hợp perovskites vào các song song dựa trên silicon hiệu quả cao.
Vậy tại sao độ dày lại cản trở hiệu quả? Nói tóm lại, màng dày hơn sẽ làm trầm trọng thêm những khiếm khuyết nhỏ trong quá trình sản xuất, từ đó làm suy giảm hiệu suất một cách tích lũy. Mật độ khuyết tật tăng lên, giao diện gồ ghề, điện áp chùng xuống. Việc tách rời các cơ chế đan xen này đã tỏ ra vô cùng khó khăn.
Cái nhìn sâu sắc quan trọng của nhóm Kirchartz là nhận ra rằng chính các lớp vận chuyển đã áp đặt các giới hạn nội tại. Việc thu thập điện tích theo logic truyền thống phụ thuộc chủ yếu vào đặc tính hấp thụ. Tuy nhiên, việc trang bị các lớp vận chuyển có đủ độ dẫn và sự sắp xếp dải tối ưu sẽ giúp loại bỏ hoàn toàn các hạn chế về độ dày. Qua đó khắc phục được nhiều con đường thua lỗ trong một lần ngã.
Phát hiện này đã khiến các nhà nghiên cứu kẹp hai màng hữu cơ đặc biệt với những ưu điểm bổ sung xung quanh lõi perovskite. Lớp màng đơn lớp (SAM) tự lắp ráp phía dưới có khả năng dẫn điện và vận chuyển lỗ tuyệt vời. Trong khi đó, màng poly[bis(4-phenyl)]amine (PTAA) trên cùng mang lại khả năng kết hợp mạng tinh thể chặt chẽ và liên kết dải với perovskite. Pha trộn các biến thể SAM tương thích để tinh chỉnh các đặc tính bề mặt hơn nữa.
Các đặc tính tỉ mỉ cho thấy lớp vận chuyển kép giúp cắt giảm tổn thất điện trở, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chiết điện tích và cản trở sự tái hợp so với các màng SAM hoặc PTAA đơn lẻ. Qua đó cho phép hệ số lấp đầy và điện áp đặc biệt lần lượt đạt tới 80% và 1.2V ở độ dày trên 1 micron. Việc duy trì hiệu quả cao nhất đáng chú ý như vậy có thể giúp perovskite phát huy hết tiềm năng thương mại của chúng.
Tác động rộng hơn của pin mặt trời perovskite màng dày hiệu suất cao cần được nhấn mạnh. Cân micron phù hợp tốt với các công cụ sản xuất hiện có được tối ưu hóa cho silicon. Qua đó dễ dàng tích hợp với cơ sở hạ tầng hiện có. Việc tăng cường khả năng tương thích giữa perovskite tiên tiến và các công nghệ hiện có có thể thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi chúng.
Ngoài ra, màng perovskite dày phù hợp hơn với kết cấu của kim tự tháp tế bào silicon. Qua đó cải thiện hình học tế bào song song nhằm đạt hiệu suất kết hợp 45%. Do đó, Kirchartz tin rằng “bước trung gian để kích hoạt các tế bào trên cùng perovskite được xử lý bằng dung dịch hiệu quả trên các tế bào đáy Si có kết cấu cho các ứng dụng song song là khả năng thiết kế các cấu trúc tế bào với các khoảng trống dải cao phù hợp kết hợp với hiệu suất cao ở độ dày trên 1 µm”.
Tuy nhiên, công việc vẫn còn trước khi perovskite màng dày sẵn sàng thương mại hóa. Sự ổn định lâu dài vẫn còn thiếu trong khi tính hiệu quả và tính nhất quán của hiệu suất cần được cải thiện. Tuy nhiên, cột mốc hiệu suất vượt trội 20% ở quy mô micron thể hiện một bước ngoặt. Chứng minh khả năng thương mại của công nghệ quang điện mới nổi này.
Bước đột phá này tạo ra một cách hiệu quả các màng perovskite dày cần thiết để bao phủ các kim tự tháp silicon cho các tế bào song song hiệu quả cao. Qua đó giúp thực hiện lời hứa lâu dài về kiến trúc song song lai có khả năng mở rộng và kinh tế. Ngoài ra, việc đạt được hiệu suất trên 20% một cách đáng tin cậy ở quy mô micron phần lớn làm giảm bớt mối lo ngại về điện áp dưới mức trung bình và hệ số lấp đầy khi độ dày màng tăng lên. Qua đó khắc phục được một trong những sự đánh đổi hiệu suất và hiệu suất cứng đầu nhất đang cản trở các nỗ lực thương mại hóa.
Dựa trên những tiến bộ này, việc tối ưu hóa hơn nữa có tiềm năng nâng cao các giới hạn hiệu quả thậm chí vượt xa những mong đợi ban đầu. Khả năng tồn tại của pin mặt trời perovskite thân thiện với sản xuất với chi phí thấp giờ đây ngày càng có thể đạt được. Việc áp dụng rộng rãi sẽ sớm xảy ra trong khi chờ tăng cường mở rộng quy mô và cải thiện độ ổn định. Mặc dù công việc vẫn còn đó, việc chứng minh khả năng duy trì hiệu quả đặc biệt ở mức trên 20% đối với perovskites dày micron tạo thành một điểm uốn lịch sử.
– Michael là tác giả của ba cuốn sách của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia:
Xã hội Nano: Đẩy mạnh ranh giới của công nghệ,
Công nghệ nano: Tương lai nhỏ bévà
Nanoengineering: Các kỹ năng và công cụ làm cho công nghệ vô hình
Bản quyền ©
Công Ty TNHH Nanowerk
Trở thành tác giả khách mời của Spotlight! Tham gia nhóm lớn và đang phát triển của chúng tôi những người đóng góp cho khách. Bạn vừa xuất bản một bài báo khoa học hoặc có những phát triển thú vị khác để chia sẻ với cộng đồng công nghệ nano? Đây là cách xuất bản trên nanowerk.com.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64319.php
