Pin mặt trời bán trong suốt hiệu suất cao, chi phí thấp

Việc phát triển các pin năng lượng mặt trời trong suốt hoặc bán trong suốt với hiệu quả cao và giá thành thấp để thay thế cho các tấm pin năng lượng mặt trời silicon màu đục và đắt đỏ hiện đã trở nên ngày càng quan trọng bởi nhu cầu ngày càng tăng của hệ thống các tòa nhà tích hợp pin quang điện (BIPVs). 

Khoa Vật lý Ứng dụng của trường Đại học Bách khoa Hồng Kông (PolyU) đã phát triển thành công pin mặt trời perovskite bán trong suốt giá rẻ và hiệu quả cao với các điện cực bằng lá graphite. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng điện (PCEs) của sáng chế này rơi vào khoảng 12%, so với 7% pin mặt trời bán trong suốt thông thường. Giá thành của nó thấp hơn 0,5 đô la Hồng Kông/watt, giảm được hơn 50% so với pin mặt trời làm bằng silicon thông thường. Điều này có thể khiến chúng được sử dụng rộng rãi trong tương lai.

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, trong đó pin năng lượng mặt trời sẽ được sử dụng để chuyển đổi ánh sáng trực tiếp thành điện bằng hiệu ứng quang điện. Thế hệ pin năng lượng mặt trời silicon tinh thể đầu tiên đã rất ổn định với hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao nhưng lại chắn sáng và đắt đỏ. 

Thế hệ pin mặt trời thứ hai được gọi là pin mặt trời màng mỏng, trọng lượng nhẹ và có thể được sử dụng một linh hoạt. Tuy nhiên, chúng lại được làm từ những vật liệu hiếm với cấu trúc phức tạp và cần tới nhiệt độ cao.

Với mục tiêu nghiên cứu là sản xuất các tấm pin mặt trời có hiệu suất PCEs cao, dễ chế tạo, chi phí thấp, trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã nghiên cứu thế hệ pin năng lượng mặt trời thứ ba. Pin mặt trời Peorvskite gần đây đã thu hút nhiều sự chú ý bởi hiệu suất chuyển đổi điện năng cao, quá trình sản xuất thuận tiện và tiềm năng chi phí thấp.
Với mục tiêu nâng cao PCEs và giảm giá thành của các tấm pin mặt trời bán trong suốt, các nhà nghiên cứu của PolyU lần đầu tiên phát triển pin mặt trời bán trong suốt perowskite với điện cực là lá graphite.

Graphite là một "ứng cử viên" lý tưởng cho các điện cực trong suốt của pin mặt trời với sự khả năng chuyển đổi cao, dẫn điện tốt và chi phí thấp. Tính năng bán trong suốt của pin mặt trời cho phép nó hấp thụ ánh sáng từ cả hai phía và có thể được sử dụng rộng rãi tại các cửa sổ, mặt tiền, cửa chớp và nóc nhà của các công trình để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện, nhờ đó tăng diện tích bề mặt để thu thập năng lượng mặt trời bền vững.

Graphite là vật liệu tiên tiến, được phát minh từ hơn 10 năm trước, song mới đây, PolyU đã cải tiến các kỹ thuật sản xuất đơn giản để tăng cường độ dẫn điện của graphite, đáp ứng nhu cầu khi sử dụng pin năng lượng mặt trời với theo nhiều trường hợp khác nhau.  

Đầu tiên, tính dẫn điện của graphite đã được cải thiện đáng kể nhờ một lớp phủ mỏng bằng polymer poly-(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS). Lớp polymer này cũng được sử dụng như lớp bám dính trong quá trình cán mỏng. 

Thứ hai, để nâng cao hơn nữa hiệu quả chuyển đổi điện năng, các nhà nghiên cứu của PolyU đã nhận ra rằng bằng cách chế tạo pin năng lượng mặt trời mà ở đó, hóa chất đa lớp lắng đọng graphite được sử dụng là một đầu điện cực trong suốt, điện trở mặt của điện cực sẽ giảm trong khi vẫn duy trì hiệu suất chuyển đổi cao của các điện cực. 

Cuối cùng, phát minh mới này được tối ưu hóa hơn bằng cách cải thiện liên kết giữa các đầu điện cực lá graphite và các lớp vận chuyển lỗ trong những tấm perovskite. Nhờ tính linh hoạt cơ học tuyệt vời của graphite và nhũng thuận tiện về mặt thiết bị, phát minh của PolyU có thể được sử dụng trong sản xuất hàng loạt các loại pin mặt trời bán trong suốt. Chúng sẽ lấp đầy khoảng trống trên thị trường mà các pin mặt trời hiện có không thể làm được. Kết quả nghiên cứu này đã được công bố trong tạp chí Advanced Materials, một tạp chí khoa học vật liệu hàng đầu.

Mai Linh (theo Science Daily)