Tìm ra loại vật liệu mới không ô nhiễm, giá thành thấp cho pin mặt trời

• Cạnh tranh sản xuất pin mặt trời

Vật liệu mới này còn giúp tăng độ bền của tấm pin năng lượng mặt trời, mở ra hướng phát triển pin mặt trời perovskite (pin mặt trời màng mỏng) vừa có giá thành phải chăng vừa bảo vệ môi trường.

Từ quá trình nghiên cứu vật liệu hữu cơ phân tử trong chế tạo pin mặt trời perovskite, TS. Đào Quang Duy và nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công vật liệu phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin với đầy đủ tính chất phù hợp để tạo thành lớp chuyển tiếp lỗ trống trong pin mặt trời perovskite. Kết quả này đã được công bố trên 2 tạp chí quốc tế uy tín.

Nhóm nghiên cứu của TS. Đào Quang Duy phối hợp với nhóm nghiên cứu của GS. Ozaki (Trường Đại học Osaka, Nhật Bản) phát triển vật liệu nguyên tử nhỏ phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin có độ linh động hạt tải cao, có thể tan trong nhiều dung môi hữu cơ, dễ dàng chế tạo bằng phương pháp quay phủ, phù hợp để làm lớp chuyển tiếp lỗ trống trong các pin mặt trời perovskite. Kết quả nghiên cứu này mở ra hướng phát triển pin mặt trời perovskite có giá thành hợp lý, độ bền cao và không ô nhiễm môi trường.

Theo TS. Đào Quang Duy, vật liệu mới phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin là vật liệu quan trọng giúp làm tăng độ bền cũng như tuổi thọ của loại pin perovskite. Ở tấm pin năng lượng mặt trời perovskite, không giống với pin mặt trời sillic truyền thống, các lớp chuyển tiếp lỗ trống sử dụng vật liệu dạng rắn (thay vì dùng điện phân lỏng), khả năng hấp thụ và khuếch tán năng lượng tốt. 

Kết quả nghiên cứu cho thấy, vật liệu phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin có độ linh động hạt tải mang điện cao. Bên cạnh đó, nó dễ dàng hòa tan trong các dung môi hữu cơ và có khả năng bảo vệ lớp vật liệu perovskite. Ngoài ra, cấu trúc tinh thể của pin giúp quá trình chuyển đổi thành điện năng từ các photon của nguồn ánh sáng mặt trời được diễn ra hiệu quả.

Ngay cả khi chưa được tối ưu hóa, tấm pin mặt trời sử dụng vật liệu hữu cơ nguyên tử nhỏ phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin làm lớp chuyển tiếp lỗ trống vẫn có hiệu suất chuyển đổi năng lượng ở mức cao (15%). Một ưu điểm nổi bật khác của vật liệu này là không cần pha tạp, có thể làm tăng độ bền của tấm pin lên gấp hai lần, bảo vệ lớp perovskite bên ngoài.

Hiện nay, công nghệ tinh thể silicon chiếm khoảng 90% thị phần trong ngành sản xuất pin mặt trời. Ngoài ra, có các loại vật liệu khác như pin mặt trời hữu cơ, pin mặt trời sử dụng các bán dẫn vô định hình, pin mặt trời sử dụng các màng mỏng đa tinh thể, pin mặt trời sử dụng vật liệu perovskite… Pin phải có các tiêu chí là hiệu suất pin cao, độ bền của pin tốt và công nghệ chế tạo đơn giản, rẻ tiền. Do đó, thành công của nhóm các nhà nghiên cứu Việt Nam được kỳ vọng sẽ  tạo nên một loại pin năng lượng mặt trời perovskite mới với độ bền cao, không gây ô nhiễm môi trường và có mức giá phải chăng.

Khi so sánh hiệu suất của việc sử dụng các lớp chuyển tiếp lỗ trống nguyên tử nhỏ phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin với các pin sử dụng vật liệu lỗ trống truyền thống thì đạt được hiệu suất tương đương nhau (khoảng 15%). Các pin mặt trời hữu cơ và pin DSSC đã phải mất 20-30 năm để đạt được hiệu suất 15%. Chính vì thế, việc đạt được hiệu suất cao trong khoảng thời gian ngắn (7-10 năm) thông qua phương pháp chế tạo quay phủ rẻ tiền là một điều kinh ngạc trong giới chế tạo pin mặt trời.

Các chuyên gia đánh giá pin mặt trời perovskite do nhóm TS. Đào Quang Duy chế tạo có nhiều ưu điểm khi tất cả các lớp như: lớp perovskite, lớp chuyển tiếp điện tử, lớp chuyển tiếp lỗ trống, cấu trúc của pin… đều được tối ưu hóa. Hơn nữa, việc pin mặt trời perovskite sử dụng vật liệu nguyên tử nhỏ phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin làm lớp chuyển tiếp lỗ trống thể hiện một hiệu suất tương đương với pin chế tạo cùng điều kiện sử dụng các vật liệu lỗ trống truyền thống và việc chúng có thể nâng cao độ bền của lớp perovksite là một tín hiệu đáng mừng, vì mở ra một hướng sản xuất pin mặt trời có giá thành hợp lý, độ bền cao.

Mặc dù hiệu suất này tương đương với pin silic truyền thống, nhưng việc chế tạo vật liệu mới được nhóm chú ý đến giá thành chế tạo hợp lý, dễ dàng áp dụng công nghệ và ít ảnh hưởng tới môi trường vì không cần sử dụng thêm các hợp chất pha tạp.

Trong thời gian tới, nhóm sẽ tối ưu hóa các lớp vật liệu khác trong pin mặt trời perovskite để nâng cao hơn nữa hiệu suất của pin, qua đó giúp công nghệ sản xuất pin mặt trời perovskite tiến thêm một bước trong quá trình thương mại hóa.

Pin năng lượng mặt trời sử dụng vật liệu perovskite hiện được coi là một trong những ứng viên tiềm năng sẽ “soán ngôi” của các tấm pin mặt trời silic truyền thống. Hiện nay, tại thị trường Việt Nam, tấm pin mặt trời silic được sử dụng phổ biến và chủ yếu. Việc nhập khẩu và sử dụng pin mặt trời silic không chỉ có chi phí cao mà còn gây ra một số e ngại về ảnh hưởng tới môi trường đất khi các tấm pin hết vòng đời do pin silic có chứa nhiều tạp chất. Việc phát triển loại vật liệu pin năng lượng mặt trời mới tại Việt Nam giúp giảm giá thành mà vẫn đảm bảo thân thiện với môi trường và an toàn cho sức khỏe của người sử dụng vì thế mang ý nghĩa lớn và được kỳ vọng sẽ đạt nhiều thành tựu hơn nữa.