Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo dồi dào và gần như vô hạn, đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của con người. Theo ước tính, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời truyền thống như silicon đơn tinh thể đạt khoảng 25%, tuy nhiên chi phí sản xuất cao và độ dày lớn của lớp bán dẫn là những hạn chế lớn. Trong bối cảnh đó, pin mặt trời perovskite (PSC) nổi lên như một công nghệ đột phá với hiệu suất chuyển đổi năng lượng tăng nhanh chóng, đạt trên 21% trong vòng 6 năm nghiên cứu, đồng thời có tiềm năng giảm chi phí sản xuất nhờ cấu trúc màng mỏng và vật liệu mới.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo màng mỏng lai tạp perovskite ứng dụng trong pin mặt trời sử dụng vật liệu chuyển tiếp lỗ trống không pha tạp Octahexylphthalocyanine (C6PcH2). Mục tiêu chính là mô phỏng và chế tạo pin mặt trời perovskite với lớp vận chuyển lỗ trống không pha tạp nhằm nâng cao hiệu suất và độ ổn định của thiết bị. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian năm 2021 tại Đại học Quốc gia Hà Nội, với các phương pháp mô phỏng SCAPS-1D và kỹ thuật chế tạo màng mỏng bằng quay phủ spin và bốc bay nhiệt trong chân không.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc phát triển vật liệu HTM mới không pha tạp loại p, giúp cải thiện độ linh động hạt tải, giảm sự suy giảm hiệu suất do tái kết hợp điện tích và tăng độ bền của pin mặt trời perovskite. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng pin mặt trời perovskite ổn định, hiệu quả cao và có giá thành hợp lý trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình vật lý chất rắn liên quan đến pin mặt trời perovskite, bao gồm:

  • Cấu trúc tinh thể perovskite ABX3: Trong đó A là cation hữu cơ hoặc vô cơ, B là cation kim loại (Pb2+, Sn2+), X là anion halogen (I-, Br-, Cl-). Cấu trúc này quyết định tính chất quang điện và điện tử của vật liệu.
  • Mô hình hoạt động của pin mặt trời perovskite: Ánh sáng kích thích tạo ra hạt exciton với năng lượng liên kết thấp, dễ phân tách thành điện tử và lỗ trống, sau đó được vận chuyển qua các lớp bán dẫn loại n và p đến điện cực.
  • Lý thuyết vận chuyển hạt tải và tái kết hợp: Phương trình Poisson và phương trình liên tục mô tả sự phân bố điện tích, mật độ dòng điện tử và lỗ trống, tốc độ tái kết hợp và sinh hạt tải trong thiết bị.
  • Khái niệm vật liệu vận chuyển lỗ trống (HTM): Vật liệu HTM không pha tạp loại p như C6PcH2 có độ linh động hạt tải cao, giúp tăng hiệu suất và độ bền của pin mặt trời perovskite.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm chế tạo màng mỏng perovskite CH3NH3PbI3 và vật liệu HTM C6PcH2, cùng với mô phỏng bằng phần mềm SCAPS-1D.
  • Phương pháp phân tích:
    • Mô phỏng hiệu suất pin mặt trời và độ linh động hạt tải trong phạm vi nhiệt độ 258K - 303K bằng SCAPS-1D.
    • Chế tạo màng mỏng perovskite bằng phương pháp quay phủ spin coating và bốc bay nhiệt trong chân không.
    • Đánh giá cấu trúc tinh thể bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD).
    • Quan sát bề mặt và kích thước hạt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
    • Đo đặc trưng quang điện bằng phổ hấp thụ UV-Vis, phổ hiệu suất lượng tử ngoài (EQE), và đường đặc trưng J-V.
    • Xác định độ linh động hạt tải bằng phương pháp photo-CELIV.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2021, bao gồm các giai đoạn tổng hợp vật liệu, mô phỏng, chế tạo pin và đánh giá tính chất quang điện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc tinh thể và kích thước hạt perovskite: Qua phổ XRD, màng perovskite CH3NH3PbI3 có các đỉnh đặc trưng tại 14,07°, 28,42°, 31,82°, tương ứng với các mặt phẳng (110), (220), (310). Việc nhỏ dung môi toluene trong quá trình quay phủ làm tăng cường cường độ đỉnh (110) và giảm bán độ rộng cực đại, chứng tỏ kích thước tinh thể tăng lên. Đồng thời, đỉnh PbI2 dư tại 12,61° cũng tăng cường, cho thấy sự tồn tại PbI2 dư thừa trong màng. Việc ủ nhiệt ở 100 °C làm tăng kích thước hạt perovskite và PbI2, cải thiện kết tinh nhưng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất do PbI2 dư thừa.

  2. Hiệu suất quang điện của pin mặt trời sử dụng C6PcH2: Mô phỏng SCAPS-1D cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) của PSC sử dụng HTM C6PcH2 đạt trên 4% với độ linh động hạt tải tăng từ 0,4 đến 1,4 cm²/V.s khi nhiệt độ giảm từ 303K xuống 258K. Đường đặc trưng J-V và phổ EQE minh họa sự cải thiện hiệu suất nhờ vật liệu HTM không pha tạp.

  3. Tính chất quang học của màng perovskite: Phổ UV-Vis cho thấy màng perovskite hấp thụ mạnh trong vùng bước sóng 400-800 nm, phù hợp với độ rộng vùng cấm Eg = 1.55 eV. Việc nhỏ toluene và ủ nhiệt làm tăng cường hấp thụ ánh sáng, góp phần nâng cao mật độ dòng ngắn mạch JSC.

  4. Độ linh động hạt tải trong C6PcH2: Phép đo photo-CELIV xác định độ linh động lỗ trống trong màng C6PcH2 tăng đáng kể khi nhiệt độ giảm, từ khoảng 0,4 cm²/V.s ở 303K lên 1,4 cm²/V.s ở 258K, cho thấy vật liệu này có khả năng vận chuyển lỗ trống hiệu quả, hỗ trợ tăng hiệu suất pin.

Thảo luận kết quả

Kết quả phổ XRD và SEM cho thấy việc sử dụng dung môi toluene trong quá trình quay phủ giúp tăng kích thước hạt perovskite, làm giảm khuyết tật và tăng cường kết tinh, từ đó cải thiện hiệu suất quang điện. Tuy nhiên, sự tồn tại PbI2 dư thừa cũng làm tăng tốc độ phân hủy màng perovskite khi tiếp xúc với độ ẩm và ánh sáng, ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền thiết bị. Việc ủ nhiệt giúp tăng kích thước hạt và cải thiện cấu trúc tinh thể nhưng cần kiểm soát lượng PbI2 để tránh suy giảm hiệu suất.

Mô phỏng SCAPS-1D và đo photo-CELIV chứng minh vật liệu HTM C6PcH2 không pha tạp có độ linh động hạt tải cao, giúp vận chuyển lỗ trống hiệu quả, giảm tái kết hợp điện tích và nâng cao hiệu suất pin mặt trời. So với các vật liệu HTM pha tạp loại p truyền thống, C6PcH2 có ưu điểm về độ ổn định và chi phí thấp hơn, phù hợp cho ứng dụng thương mại.

Dữ liệu đường đặc trưng J-V và phổ EQE minh họa rõ sự cải thiện hiệu suất nhờ vật liệu HTM mới, đồng thời cho thấy tiềm năng phát triển pin mặt trời perovskite màng mỏng với hiệu suất và độ bền cao. Các biểu đồ và bảng số liệu trong nghiên cứu cung cấp cơ sở định lượng cho việc tối ưu cấu trúc và quy trình chế tạo pin.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu quy trình chế tạo màng perovskite: Áp dụng kỹ thuật nhỏ dung môi toluene kết hợp ủ nhiệt ở nhiệt độ khoảng 100 °C để tăng kích thước hạt và cải thiện kết tinh màng perovskite, đồng thời kiểm soát lượng PbI2 dư thừa nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền pin. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu.

  2. Phát triển vật liệu HTM không pha tạp: Tiếp tục nghiên cứu và tinh chế vật liệu chuyển tiếp lỗ trống C6PcH2 hoặc các hợp chất tương tự có độ linh động cao, khả năng hòa tan tốt và chi phí thấp để thay thế các HTM pha tạp loại p hiện tại. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: phòng thí nghiệm hóa hữu cơ và vật liệu.

  3. Mô phỏng và tối ưu cấu trúc pin mặt trời: Sử dụng phần mềm SCAPS-1D để mô phỏng các thông số vật liệu và cấu trúc thiết bị nhằm tìm ra cấu hình tối ưu cho hiệu suất và độ ổn định cao nhất. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình nghiên cứu, chủ thể: nhóm mô phỏng và thiết kế thiết bị.

  4. Nâng cao độ bền và khả năng ứng dụng thực tế: Nghiên cứu các lớp bảo vệ chống ẩm, chống oxy hóa kết hợp với vật liệu HTM không pha tạp để kéo dài tuổi thọ pin mặt trời perovskite trong điều kiện môi trường thực tế. Thời gian thực hiện: 12 tháng, chủ thể: nhóm phát triển sản phẩm và ứng dụng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu quang điện: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về cấu trúc, tính chất quang điện và phương pháp chế tạo màng perovskite, giúp nghiên cứu và phát triển vật liệu mới cho pin mặt trời.

  2. Kỹ sư phát triển pin mặt trời: Thông tin về vật liệu HTM không pha tạp và quy trình chế tạo pin màng mỏng hỗ trợ tối ưu thiết kế và nâng cao hiệu suất sản phẩm.

  3. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành vật lý chất rắn, vật liệu: Tài liệu tham khảo về lý thuyết, mô hình mô phỏng và kỹ thuật thực nghiệm trong lĩnh vực pin mặt trời perovskite.

  4. Doanh nghiệp công nghệ năng lượng tái tạo: Cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm pin mặt trời perovskite hiệu suất cao, chi phí thấp và bền vững, phù hợp với xu hướng thị trường năng lượng sạch.

Câu hỏi thường gặp

  1. Pin mặt trời perovskite có ưu điểm gì so với pin silicon truyền thống?
    Pin perovskite có hiệu suất chuyển đổi năng lượng nhanh tăng, chi phí sản xuất thấp hơn do sử dụng vật liệu màng mỏng, dễ chế tạo và có thể linh hoạt ứng dụng trên nhiều bề mặt khác nhau.

  2. Tại sao cần vật liệu chuyển tiếp lỗ trống không pha tạp?
    Vật liệu không pha tạp như C6PcH2 giúp tăng độ linh động hạt tải, giảm tái kết hợp điện tích, nâng cao hiệu suất và độ bền của pin, đồng thời tránh các tác động tiêu cực do tạp chất loại p gây ra.

  3. Phương pháp mô phỏng SCAPS-1D có vai trò gì trong nghiên cứu?
    SCAPS-1D giúp mô phỏng hiệu suất và đặc tính điện tử của pin mặt trời, từ đó tối ưu cấu trúc và vật liệu trước khi thực hiện chế tạo thực nghiệm, tiết kiệm thời gian và chi phí nghiên cứu.

  4. Làm thế nào để kiểm soát lượng PbI2 dư thừa trong màng perovskite?
    Kiểm soát thông qua điều chỉnh quy trình quay phủ, sử dụng dung môi phụ trợ như toluene và điều kiện ủ nhiệt phù hợp để cân bằng kích thước hạt và giảm lượng PbI2 dư thừa, tránh ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền.

  5. Độ linh động hạt tải ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất pin?
    Độ linh động cao giúp hạt tải (điện tử, lỗ trống) di chuyển nhanh hơn, giảm tái kết hợp điện tích, tăng mật độ dòng điện và hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc mô phỏng và chế tạo pin mặt trời perovskite sử dụng vật liệu chuyển tiếp lỗ trống không pha tạp Octahexylphthalocyanine (C6PcH2) với hiệu suất quang điện tiềm năng trên 4%.
  • Phương pháp quay phủ spin kết hợp nhỏ dung môi toluene và ủ nhiệt giúp tăng kích thước hạt perovskite, cải thiện kết tinh và hiệu suất pin.
  • Vật liệu HTM C6PcH2 có độ linh động hạt tải cao, hỗ trợ vận chuyển lỗ trống hiệu quả, góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền thiết bị.
  • Mô phỏng SCAPS-1D là công cụ hữu ích để tối ưu cấu trúc và dự đoán hiệu suất pin mặt trời perovskite trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu quy trình chế tạo, phát triển vật liệu HTM không pha tạp và nâng cao độ bền thiết bị để ứng dụng thực tế trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả này để phát triển pin mặt trời perovskite hiệu suất cao, bền vững và chi phí hợp lý, góp phần thúc đẩy năng lượng tái tạo tại Việt Nam và trên thế giới.