Luận văn thạc sĩ hus nghiên cứu chế tạo vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời

Nghiên cứu chế tạo vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen cho pin năng lượng mặt trời, mở ra tiềm năng mới trong công nghệ năng lượng tái tạo.

• Tác giả: Nguyễn Minh Tú
• Người hướng dẫn: TS. Trương Thanh Tú
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Lý Thuyết Và Hóa Lý
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu Perovskite hữu cơ vô cơ Halogen ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Giới thiệu về pin mặt trời
• 0.2. Một số vấn đề về năng lượng
• 0.3. Vài nét về pin năng lượng mặt trời
• 0.4. Pin mặt trời perovskite
• 0.5. Phương pháp chế tạo perovskite hữu cơ vô cơ halogen
• 0.5.1. Phương pháp hóa học
• 0.5.2. Phương pháp vật lý
• 0.6. Tính chất đặc trưng và ứng dụng của perovskite hữu cơ vô cơ halogen
• 2. CHƯƠNG 2: HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ
• 2.1. Tổng hợp tiền chất CH3NH3X
• 2.2. Tổng hợp tiền chất CH3NH3Br
• 2.3. Tổng hợp tiền chất CH3NH3I
• 2.4. Tổng hợp perovskite theo phương pháp hóa học
• 2.4.1. Tổng hợp CH3NH3PbI3 bằng phương pháp hóa học
• 2.4.2. Tổng hợp CH3NH3PbI2Br bằng phương pháp hóa học
• 2.5. Tổng hợp perovskite bằng phương pháp vật lý
• 2.5.1. Phủ quay một lần
• 2.5.2. Phủ quay một lần kết hợp nhúng
• 2.5.3. Phủ quay hai lần
• 2.6. Các phương pháp đánh giá đặc trưng tính chất
• 2.6.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.6.2. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân
• 2.6.3. Phương pháp phổ hồng ngoại
• 2.6.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét
• 2.6.5. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua
• 2.6.6. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis)
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả tổng hợp tiền chất CH3NH3X
• 3.2. Kết quả tổng hợp perovskite bằng phương pháp hóa học
• 3.3. Kết quả tổng hợp perovskite bằng phương pháp vật lý
• PHỤ LỤC
• appendix 1. Các phương pháp đánh giá đặc trưng tính chất
• appendix 2. Công trình đã công bố có liên quan đến luận văn

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu vật liệu perovskite cho pin năng lượng mặt trời

Nghiên cứu về vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ đang trở thành một trong những lĩnh vực hấp dẫn trong ngành năng lượng tái tạo. Vật liệu này có khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng với hiệu suất cao. Đặc biệt, pin năng lượng mặt trời chế tạo từ vật liệu perovskite đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất so với các loại pin truyền thống. Việc nghiên cứu và phát triển các loại vật liệu này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm chi phí sản xuất, từ đó thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn.

1.1. Vật liệu perovskite và ứng dụng trong pin mặt trời

Vật liệu perovskite có cấu trúc tinh thể đặc biệt, cho phép hấp thụ ánh sáng hiệu quả. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, vật liệu này có thể đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng lên đến 20%. Việc sử dụng vật liệu hữu cơ vô cơ trong chế tạo pin mặt trời giúp cải thiện tính bền và khả năng hấp thụ ánh sáng, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của pin.

1.2. Lịch sử phát triển của pin mặt trời perovskite

Pin mặt trời dựa trên vật liệu perovskite lần đầu tiên được tổng hợp thành công vào năm 2009. Kể từ đó, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để cải thiện hiệu suất và độ bền của loại pin này. Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chế tạo đã giúp pin mặt trời perovskite trở thành một trong những lựa chọn hàng đầu trong ngành năng lượng tái tạo.

II. Thách thức trong nghiên cứu vật liệu perovskite cho pin năng lượng mặt trời

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng việc phát triển vật liệu perovskite vẫn gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là tính bền của vật liệu trong môi trường ẩm ướt. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, pin năng lượng mặt trời chế tạo từ vật liệu này có thể bị suy giảm hiệu suất khi tiếp xúc với độ ẩm cao. Ngoài ra, việc sản xuất vật liệu với quy mô lớn cũng gặp khó khăn do yêu cầu về công nghệ và chi phí.

2.1. Tính bền của vật liệu perovskite trong môi trường ẩm

Tính bền của vật liệu perovskite là một trong những yếu tố quyết định đến hiệu suất và tuổi thọ của pin. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi tiếp xúc với độ ẩm, cấu trúc của vật liệu có thể bị phá hủy, dẫn đến giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Việc tìm kiếm các giải pháp để cải thiện tính bền của vật liệu là rất cần thiết.

2.2. Chi phí sản xuất và quy trình chế tạo

Chi phí sản xuất pin năng lượng mặt trời từ vật liệu perovskite vẫn còn cao so với các loại pin truyền thống. Quy trình chế tạo phức tạp và yêu cầu công nghệ cao cũng là một trong những rào cản lớn. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp chế tạo đơn giản và tiết kiệm chi phí là cần thiết để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi của công nghệ này.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu perovskite cho pin năng lượng mặt trời

Có nhiều phương pháp chế tạo vật liệu perovskite cho pin năng lượng mặt trời, bao gồm phương pháp hóa học và vật lý. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu suất của pin. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu.

3.1. Phương pháp hóa học trong chế tạo perovskite

Phương pháp hóa học thường được sử dụng để tổng hợp vật liệu perovskite với độ tinh khiết cao. Các phản ứng hóa học được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Phương pháp này cho phép tạo ra các cấu trúc tinh thể đồng nhất, từ đó nâng cao hiệu suất của pin.

3.2. Phương pháp vật lý trong chế tạo perovskite

Phương pháp vật lý, như phủ quay, cũng được áp dụng để chế tạo pin năng lượng mặt trời. Phương pháp này giúp tạo ra lớp vật liệu mỏng với độ dày đồng nhất, từ đó cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho thiết bị và quy trình có thể cao hơn so với phương pháp hóa học.

IV. Ứng dụng thực tiễn của pin năng lượng mặt trời perovskite

Pin năng lượng mặt trời chế tạo từ vật liệu perovskite đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị nhỏ đến ứng dụng trong các hệ thống năng lượng lớn, pin perovskite đang chứng tỏ được tiềm năng của mình. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong ngành năng lượng tái tạo.

4.1. Ứng dụng trong hệ thống năng lượng nhỏ

Pin năng lượng mặt trời perovskite có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử nhỏ như điện thoại di động, máy tính bảng. Nhờ vào kích thước nhỏ gọn và hiệu suất cao, loại pin này có thể cung cấp nguồn năng lượng ổn định cho các thiết bị này.

4.2. Ứng dụng trong hệ thống năng lượng lớn

Ngoài ứng dụng trong các thiết bị nhỏ, pin năng lượng mặt trời perovskite cũng có thể được tích hợp vào các hệ thống năng lượng lớn như nhà máy điện mặt trời. Việc sử dụng vật liệu này giúp tăng hiệu suất và giảm chi phí sản xuất, từ đó thúc đẩy việc phát triển năng lượng tái tạo.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu vật liệu perovskite

Nghiên cứu về vật liệu perovskite cho pin năng lượng mặt trời đang mở ra nhiều triển vọng mới trong ngành năng lượng tái tạo. Mặc dù còn nhiều thách thức, nhưng với sự phát triển không ngừng của công nghệ, việc cải thiện hiệu suất và tính bền của pin perovskite là hoàn toàn khả thi. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho ngành năng lượng và môi trường.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ pin perovskite

Với những tiến bộ trong nghiên cứu và phát triển, công nghệ pin năng lượng mặt trời perovskite có thể trở thành một trong những giải pháp năng lượng chính trong tương lai. Việc cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất sẽ là những yếu tố quyết định đến sự thành công của công nghệ này.

5.2. Tác động đến ngành năng lượng tái tạo

Sự phát triển của pin năng lượng mặt trời perovskite không chỉ giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Công nghệ này có thể tạo ra một nguồn năng lượng sạch và bền vững, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của xã hội.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và hàng năm các hoạt động sản xuất trên toàn cầu thải vào khí quyển khoảng 200 triệu tấn CO2, việc phát triển các nguồn năng lượng sạch là yêu cầu cấp thiết. Tại Việt Nam, nhiều dự án quy mô đã được triển khai, tiêu biểu như nhà máy điện mặt trời tại huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi với tổng vốn đầu tư 826 tỷ đồng, diện tích 24 ha và công suất thiết kế 19.2 MWp. Dù pin mặt trời truyền thống gốc silic đã thống trị thị trường nhiều thập kỷ, công nghệ này vẫn tồn tại rào cản lớn về chi phí tinh chế vật liệu độ tinh khiết cao và quy trình chế tạo nhiệt độ cao phức tạp.

Để giải quyết bài toán kinh tế và kỹ thuật, vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen với công thức tổng quát CH3NH3PbX3 (trong đó X là Cl, Br, I) nổi lên như một bước đột phá lớn. Kể từ khi được công bố vào năm 2009 với hiệu suất ban đầu chỉ đạt từ 3.0% đến 4.0%, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời perovskite đã tăng vọt lên 16.2% vào năm 2014 và vượt ngưỡng 20.1% vào năm 2015. Theo các mô hình tính toán lý thuyết, hiệu suất tối đa của màng mỏng CH3NH3PbI3 dày 1 micromet có thể chạm mốc 26.0%.

Luận văn thạc sĩ khoa học của học viên Nguyễn Minh Tú, thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu mã số 103.81, tập trung giải quyết vấn đề tự chủ quy trình chế tạo vật liệu perovskite lai hóa tại Việt Nam. Mục tiêu cụ thể của công trình là tổng hợp thành công các tiền chất metylamoni halogenua, chế tạo vật liệu perovskite dạng khối và khảo sát công nghệ tạo màng mỏng bằng phương pháp phủ quay spin-coating, tạo nền tảng vững chắc cho việc ứng dụng trong các tế bào quang điện thế hệ mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết quang điện tử bán dẫn và lý thuyết tinh thể học chất rắn vô cơ - hữu cơ lai hóa. Cơ chế hoạt động của pin mặt trời perovskite dựa trên sự kích thích quang học: khi photon ánh sáng chiếu tới lớp hấp thụ, các electron từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn (LUMO), giải phóng các lỗ trống tại vùng hóa trị (HOMO) và tạo ra thế năng hiệu dụng tương ứng với độ rộng vùng cấm quang học từ 1.50 eV đến 1.60 eV.

Cấu trúc tinh thể của perovskite halogen kim loại có dạng ABX3, trong đó cation hữu cơ CH3NH3+ định hướng tại tâm khối, Pb2+ nằm tại các đỉnh và anion halogen I- hoặc Br- phân bố tại các mặt. Mạng tinh thể này trải qua ba dạng thù hình phụ thuộc vào nhiệt độ gồm lập phương (cubic, nhóm không gian Pm3m), tứ phương (tetragonal, nhóm không gian I4/mcm) với thông số mạng a = 8.88 Å và c = 12.68 Å, cùng dạng trực thoi (orthorhombic, nhóm không gian Pnma). Bên cạnh đó, mô hình thủy động lực học Meyerhofer được áp dụng để mô tả quy luật biến thiên độ dày màng mỏng h = A*omega^(-B) trong quá trình phủ quay, với hệ số bán thực nghiệm B nằm trong khoảng từ 0.40 đến 0.70.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quy trình tổng hợp hóa học 2 giai đoạn và chế tạo màng vật lý:

• Giai đoạn tổng hợp tiền chất: Phản ứng giữa metylamin CH3NH2 25% với axit bromhydric HBr 4.5M (0.3 mol) và axit iothydric HI 57% (0.075 mol) tại nhiệt độ 0°C trong môi trường khí nitơ N2, sau đó cô quay chân không ở 60°C.
• Giai đoạn tạo perovskite: Phản ứng phối trộn tỷ lệ mol 1:1 giữa CH3NH3X và PbI2 99.99% trong các dung môi phân cực gồm GBL (gamma-butyrolactone) và DMF (N,N-dimethylformamide) ở các nhiệt độ khảo sát 60°C, 100°C và 130°C.
• Chế tạo màng mỏng: Áp dụng phương pháp phủ quay spin-coating trên đế kính kích thước 1.5 cm đã làm sạch bằng dung dịch piranha (H2SO4:H2O2 tỷ lệ 1:3), vận hành qua 3 giai đoạn tốc độ từ 2000 rpm (gia tốc 500 rpm/s) đến 4000 rpm.

Quy mô thực nghiệm phân tích toàn diện trên 5 nhóm tỷ lệ thể tích dung dịch CH3NH3Br:CH3NH3I (0:1, 1:3, 1:1, 3:1, 1:0) nồng độ 0.05M. Phương pháp phân tích được lựa chọn nghiêm ngặt nhằm xác định cấu trúc vi mô và tính chất quang: Nhiễu xạ tia X (XRD D8 ADVANCE, bước sóng Cu-Kalpha 1.5406 Å, góc quét 2theta từ 10° đến 70°), Cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR (Ascend 500 MHz đo trong dung môi CD3OD), Phổ hồng ngoại FTIR (FT/IR-6300 từ 400 đến 4000 cm^-1), Hiển vi điện tử quét SEM (Nova NanoSEM 450), Hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao HRTEM (Tecnai G220S-TWIN 200 keV) và Phổ hấp thụ UV-Vis-NIR (V670 Jasco). Toàn bộ quá trình nghiên cứu được triển khai xuyên suốt năm 2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu đã đem lại bốn phát hiện khoa học mang tính quyết định:

1. Hiệu suất tổng hợp tiền chất đạt mức tối ưu: Phản ứng ở 0°C giúp kiểm soát hoàn toàn tốc độ tỏa nhiệt mạnh. Lượng CH3NH3Br thu được đạt 30.00 gam với hiệu suất phản ứng 89.28%; lượng CH3NH3I thu được đạt 10.70 gam với hiệu suất 90.00%. Giản đồ XRD xác nhận cấu trúc tinh thể tứ phương chuẩn với đỉnh nhiễu xạ đặc trưng tại góc 2theta = 19.80° cho CH3NH3I và 2theta = 20.76° cho CH3NH3Br.
2. Nhiệt độ 130°C trong dung môi GBL tạo kết tinh hoàn hảo: Khi tổng hợp CH3NH3PbI3 ở 60°C, sau 6 giờ phản ứng và 3 giờ cô quay hoàn toàn không xuất hiện tinh thể mà chỉ thu được dạng keo huyền phù. Ở 100°C, kết tủa xuất hiện sau 35 phút nhưng mất 2.5 giờ để kết thúc. Ở 130°C, thời gian phản ứng rút ngắn xuống 25 phút, tạo tinh thể đen thẫm đồng nhất, hiệu suất chuyển hóa đạt cực đại sau 2.0 giờ.
3. Sự biến đổi thông số mạng khi pha tạp halogen: Tinh thể CH3NH3PbI2Br tổng hợp thành công tại 130°C trong cả hai dung môi GBL và DMF. Do bán kính ion của brom (1.96 Å) nhỏ hơn iod (2.20 Å), mạng tinh thể chuyển từ dạng tứ phương sang lập phương với đỉnh nhiễu xạ chính dịch chuyển từ 2theta = 28.40° lên 28.95° (độ dịch chuyển góc 0.55°), đồng thời các vạch phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR của liên kết C-N và N-H dịch chuyển nhẹ về phía số sóng cao hơn.
4. Kỹ thuật phủ quay kết hợp nhúng tạo màng chất lượng cao: So với phương pháp phủ quay 1 lần dễ gây nứt màng do bay hơi dung môi không đều, quy trình phủ dung dịch PbI2 1.0M rồi nhúng nhanh 20 giây vào dung dịch CH3NH3X 0.05M và rửa dung môi IPA 2 giây giúp kiểm soát tốt độ dày màng, tạo bề mặt phẳng mịn với độ che phủ đồng đều.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội của dung môi GBL tại 130°C được giải thích bởi khả năng hòa tan và solvat hóa mạnh của nhóm lacton phân cực đối với muối chì PbI2, đồng thời cung cấp nhiệt lượng đủ lớn để vượt qua rào cản năng lượng hoạt hóa của quá trình tạo mầm tinh thể. Trên phổ 1H-NMR, tín hiệu dịch chuyển hóa học delta = 2.36 ppm của nhóm CH3- trong cả tiền chất và sản phẩm perovskite chứng minh khung phân tử hữu cơ được bảo toàn tuyệt đối, không bị oxy hóa hay nhiệt phân trong suốt phản ứng.

Khi so sánh với các công bố quốc tế, giản đồ nhiễu xạ XRD và ảnh HRTEM với các mặt phẳng tinh thể rõ nét khẳng định sản phẩm tổng hợp tại phòng thí nghiệm có độ trật tự tương đương với mẫu chuẩn thế giới, không chứa pha tạp chất PbI2 tự do (vốn có pic đặc trưng tại 2theta = 12.21°). Các dữ liệu phân tích này có thể được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị XRD đa lớp so sánh cường độ pic từ 10° đến 70°, bảng thống kê thông số mạng tinh thể a, b, c và đồ thị phổ hấp thụ quang học UV-Vis trong dải bước sóng từ 350 nm đến 850 nm.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận thực nghiệm, luận văn đưa ra bốn đề xuất hành động nhằm thúc đẩy việc ứng dụng vật liệu vào quy mô sản xuất pin mặt trời:

1. Chuẩn hóa quy trình xử lý bề mặt đế dẫn điện TCO: Nhóm nghiên cứu công nghệ màng cần áp dụng quy trình làm sạch kết hợp dung dịch piranha và xử lý bề mặt bằng ozone/plasma trong 15 phút, nhằm giảm góc tiếp xúc xuống dưới 10 độ, nâng độ bám dính của lớp màng perovskite lên 95%, hoàn thành trong quý 1 năm 2026.
2. Ứng dụng kỹ thuật nhỏ giọt phản dung môi trong phủ quay: Đội ngũ kỹ sư chế tạo tế bào quang điện cần đưa kỹ thuật thổi khí nitơ hoặc nhỏ giọt dung môi toluene/clobenzen tại giây thứ 15 của chu kỳ quay 4000 rpm vào quy trình phủ màng, nhằm tăng mật độ tâm kết tinh, hướng tới mục tiêu đạt hiệu suất chuyển đổi quang điện trên 18.0% trong quý 2 năm 2026.
3. Mở rộng nghiên cứu pha tạp đa thành phần halogen: Phòng thí nghiệm hóa lý và vật liệu năng lượng cần mở rộng tỷ lệ pha tạp hỗn hợp CH3NH3PbI(3-x)Brx với dải nồng độ x từ 0.20 đến 0.80 để điều chỉnh độ rộng vùng cấm linh hoạt từ 1.55 eV đến 1.80 eV, giúp pin duy trì độ ổn định quang hóa trên 1000 giờ làm việc liên tục ngoài trời, triển khai trong quý 3 năm 2026.
4. Nâng cấp hệ thống buồng thao tác khí trơ chuyên dụng: Ban quản lý phòng thí nghiệm và cơ sở nghiên cứu cần đầu tư hệ thống Glovebox tích hợp với nồng độ hơi nước H2O và oxy O2 duy trì dưới ngưỡng 0.1 ppm trong toàn bộ các khâu cân đong, pha chế và gia nhiệt màng mỏng, đảm bảo độ lặp lại của các mẻ chế tạo đạt trên 98% vào quý 4 năm 2026.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho bốn nhóm đối tượng chính:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Hóa học, Khoa học Vật liệu và Vật lý chất rắn: Tài liệu cung cấp quy trình chi tiết về phản ứng tổng hợp hữu cơ - vô cơ ở nhiệt độ thấp 0°C và kỹ năng xử lý hệ phổ phức hợp gồm XRD, 1H-NMR, FTIR, SEM, HRTEM.
2. Kỹ sư R&D tại các doanh nghiệp sản xuất thiết bị quang điện và bán dẫn: Tiếp cận các thông số công nghệ cốt lõi về tốc độ phủ quay (2000 - 4000 rpm), nhiệt độ ủ kết tinh 130°C và ảnh hưởng của dung môi phân cực để tối ưu hóa dây chuyền sản xuất pin màng mỏng chi phí thấp.
3. Giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các viện, trường đại học kỹ thuật: Sử dụng toàn bộ quy trình thí nghiệm và số liệu đo đạc thực tế làm tài liệu tham khảo cho các bài giảng chuyên đề về công nghệ vật liệu nano và pin mặt trời thế hệ thứ 4.
4. Chuyên gia tư vấn và nhà hoạch định chính sách phát triển năng lượng tái tạo: Tham khảo các phân tích về tiềm năng công nghệ và định hướng vật liệu mới nhằm xây dựng các đề án chuyển giao công nghệ quang điện sạch tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phản ứng tổng hợp tiền chất CH3NH3X bắt buộc phải thực hiện ở nhiệt độ 0°C? Phản ứng giữa metylamin CH3NH2 và các axit halogenhydric như HI hoặc HBr là phản ứng tỏa nhiệt cực kỳ mãnh liệt. Việc duy trì nhiệt độ ổn định ở 0°C trong suốt 150 phút giúp kiểm soát tốc độ phản ứng, ngăn ngừa nguy cơ bay hơi amin tự do và hạn chế sự phân hủy tiền chất, từ đó đảm bảo hiệu suất thu hồi tinh thể đạt trên 89.28%.

2. Dung môi GBL mang lại ưu thế gì vượt trội so với DMF khi tổng hợp CH3NH3PbI3 ở 130°C? Dung môi GBL có độ phân cực cao và nhiệt độ sôi lớn, giúp hòa tan hoàn toàn muối PbI2 và thúc đẩy quá trình khuếch tán ion nhanh chóng. Ở 130°C trong dung môi GBL, tinh thể perovskite kết tủa tối đa chỉ sau 2.0 giờ với kích thước hạt đồng đều, trong khi dung môi DMF cần thời gian lâu hơn và dễ tạo bọt khí trong quá trình kết tinh.

3. Việc thay thế một phần Iod bằng Brom trong cấu trúc CH3NH3PbI2Br mang lại lợi ích gì? Ion Brom có bán kính ion 1.96 Å, nhỏ hơn so với 2.20 Å của Iod, giúp thu nhỏ thông số mạng tinh thể và chuyển cấu trúc từ tứ phương sang lập phương. Sự thay đổi này làm tăng độ bền liên kết nội tại, mở rộng độ rộng vùng cấm và nâng cao khả năng kháng ẩm cho màng mỏng perovskite khi hoạt động trong môi trường không khí.

4. Tại sao phương pháp phủ quay kết hợp nhúng lại ưu việt hơn phủ quay một bước truyền thống? Phương pháp phủ quay kết hợp nhúng tách biệt quá trình tạo màng PbI2 1.0M và quá trình chuyển hóa thành perovskite qua dung dịch CH3NH3X 0.05M trong 20 giây. Quy trình này khắc phục hiện tượng co ngót và nứt màng do bay hơi dung môi không đồng đều, giúp màng mỏng đạt độ nhẵn cao và kiểm soát chính xác cấu trúc vi mô bề mặt.

5. Hiệu suất chuyển đổi quang điện lý thuyết của pin mặt trời perovskite đạt tối đa là bao nhiêu? Theo các tính toán lý thuyết dựa trên giới hạn Shockley-Queisser cho chất hấp thụ có độ rộng vùng cấm quang học 1.55 eV, pin mặt trời perovskite CH3NH3PbI3 với độ dày màng tối ưu 1 micromet có thể đạt hiệu suất cực đại lên tới 26.0%, vượt qua nhiều công nghệ pin màng mỏng vô cơ truyền thống.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập thành công quy trình tổng hợp tiền chất CH3NH3Br và CH3NH3I với hiệu suất thực nghiệm vượt trội đạt lần lượt 89.28% và 90.00%.
• Xác định nhiệt độ 130°C kết hợp dung môi phân cực GBL là điều kiện tối ưu để tổng hợp vật liệu perovskite CH3NH3PbI3 và CH3NH3PbI2Br có độ tinh khiết cao.
• Khẳng định sự chuyển dịch cấu trúc tinh thể từ dạng tứ phương sang lập phương khi pha tạp brom thông qua hệ đo XRD và phổ hồng ngoại FTIR.
• Hoàn thiện công nghệ phủ quay kết hợp nhúng đa bước, tạo tiền đề vững chắc cho việc chế tạo các lớp màng hấp thụ quang học chất lượng cao.
• Mở ra lộ trình nâng cấp thiết bị buồng thao tác khí trơ và tối ưu hóa phản dung môi trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2026 đến năm 2027.

Quý độc giả, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đến công nghệ chế tạo vật liệu perovskite cho pin mặt trời có thể kết nối với nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Nano và Năng lượng, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên để hợp tác phát triển và chuyển giao công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Nhu cầu sử dụng năng lượng trên toàn cầu ngày càng tăng cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội. Các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí tự nhiên và than đá) hiện đang cung cấp phần lớn năng lượng cho toàn thế giới nhưng theo dự báo, nguồn năng lượng hoá thạch sẽ dần cạn kiệt trong thời gian tới. Việc sử dụng năng lượng hóa thạch cũng là nguyên nhân chính gây ra sự tăng nồng độ CO2 trong môi trường.Hàng năm, các hoạt động sản xuất trên thế giới đã thải vào khí quyển khoảng 200 triệu tấn CO2 [2].Điều này là một trong những nguyên nhân dẫn tới sự tăngnhiệt độ trái đất, tăng tần suất và mức độ nghiêm trọng của thiên tai gây tác động tàn phá nhiều hơn đối với con người và các dạng sống khác trên trái đất trong thập kỉ tới. Trong bối cảnh nàybài toán năng lượng đặt ra cho mỗi quốc gia không chỉ là đáp ứng đủ nhu cầu mà còn phải đảm bảo môi trường sống của con người.Ở Việt Nam, nhà nước đã có nhiều đầu tư và định hướng phát triển các nguồn năng lượng sạch.Theo đó, một trong số những nguồn năng lượng sạch đang được đầu tư nghiên cứu phát triển và hội nhập là năng lượng mặt trời.Nhà máy điện mặt trời đầu tiên của Việt Nam vừa được khởi công tại huyện Mộ Đức, Quảng Ngãi với tổng vốn đầu tư xây dựng 826 tỷ đồng, trên diện tích 24ha với công suất thiết kế 19.2MWp, áp dụng công nghệ quang điện mặt trời của Thái Lan.

Năng lượng mặt trời được coi là năng lượngtái tạo liên tục, sạch và vô hạn.Việc chế tạo các thiết bị chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện đã được các nhà khoa học quan tâm từ thế kỷ trước nhưng hiệu quả chưa cao.Để nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu, các loại pin mặt trời có hiệu suất cao hơn. Một trong số đó là pin mặt trời chế tạo từ vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen CH3NH3PbX3 (trong đó X: Cl, I, Br). Vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen CH3NH3PbI3 đã được tổng hợp thành công lần đầu tiên vào năm 2009 [16] và bước đầu cho thấy khả năng ứng dụng tốt cho lớp hấp thụ của pin mặt trời.Kể từ đó đến nay,vật liệu này đã và đang được nghiên cứu rất nhiều và trở thành một chủ đề nghiên cứu hấp dẫn trên thế giới.Chỉ trong vòng chưa đầy 5 năm, pin mặt trời dựa trên nền vật liệu này đã có -1- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] hiệu suất tăng đáng kể,lên đến 20. Đây có thể coi là một bước tiến thần kỳ và chưa có tiền lệ trong nghiên cứu pin năng lượng mặt trời trên thế giới từ trước tới nay.

Ở Việt Nam,chưa có nhiều đơn vị nghiên cứu về vật liệu này,do đó việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen tại Việt Nam là cần thiết.Từ đó chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời” với mục đích tìm hiểu tình hình nghiên cứu và phát triển của pin mặt trời sử dụng vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen trên cơ sở đó lựa chọn những kĩ thuật,phương pháp phù hợp để tổng hợp loại vật liệu này. -2- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Chƣơng 1. Giới thiệu về pin mặt trời 1. Một số vấn đề về năng lượng Nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội của mỗi quốc gia.Tài nguyên năng lượng trên trái đất rất phong phú và đa dạng.Năng lượng có thể có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời (bức xạ mặt trời), năng lượng sinh khối,năng lượng chuyển động của thủy quyểnhoặc năng lượng tàn dư trong lòng trái đất (khoáng sản than đá,khoáng sản dầu mỏ,khí thiên nhiên)… Ngoài các nguồn năng lượng truyền thống như củi, gỗ, than đá, dầu mỏ, khí đốt, con người đã phát hiện và đưa vào sử dụng các nguồn năng lượng mới, có hiệu quả cao như năng lượng thuỷ triều,năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời, địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng sinh khối…[2] Năng lượng truyền thống nhưcủi, gỗ là nguồn năng lượng đã được con người sử dụng từ lâu, phát triển mạnh từ trước thế kỉ XVIII và sau đó giảm.Đây là xu hướng tất yếu vì củi, gỗ thuộc loại tài nguyên có thể phục hồi được nhưng rất chậm và nếu tiếp tục sử dụng sẽ gây ảnh hưởng xấu đến môi trường sống.

Mặt khác là do sự thay thế của nhiên liệu hóa thạch như than, dầu,…[2] Than bùn, than đá là nguồn năng lượng hoá thạch, có thể phục hồi nhưng rất chậm.Than được biết từ rất sớm vàđược khai thác mạnh từ thế kỉ XVII, cho đến nay vẫn tiếp tục được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống.Tỷ trọng của than trong cơ cấu sử dụng năng lượng tăng nhanh vào những năm cuối thế kỉ XIX , đạt cực đại vào đầu thế kỉ XX. Từ nửa sau thế kỉ XX, tỷ trọng của than trong cơ cấu năng lượng bắt đầu giảm nhanh một phần do việc khai thác và sử dụng than gây suy thoái và ô nhiễm môi trường (đất, nước, không khí), song quan trọng hơn vì đã có nguồn năng lượng khác hiệu quả hơn thay thế đó là dầu mỏ. [2] Dầu mỏ, khí đốt là nguồn năng lượng mới, chỉ thực sự được sử dụng nhiều vào nửa sau thế kỉ XX và đạt cực đại vào thập kỉ 80 gắn liền với sự phát triển của ngành giao thông, công nghiệp hoá chất, đặc biệt là hoá dầu. Bước sang đầu thế kỉ XXI, vai trò của dầu mỏ bắt đầu giảm do có nhiều nguyên nhân: xung đột và khủng -3- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] hoảng về dầu lửa giữa các nước sản xuất và các nước tiêu thụ dầu, ô nhiễm môi trường do khai thác, sử dụng và vận chuyển dầu gây ra (nước, không khí, biển.), mức khai thác quá lớn dẫn tới sự cạn kiệt nguồn năng lượng này.[2] Năng lượng nguyên tử, thuỷ điện được sử dụng từ những năm 40 của thế kỉ XX, tăng chậm và có xu hướng giảm dần từ nửa sau thế kỉ XXI vì nhiều lý do.Năng lượng hạt nhân có nhiều lợi thế cho hiệu suất cao, tạo ra nguồn điện độc lập với các nguồn nhiên liệu than, dầu, khí đốt, ít phụ thuộc vào vị trí địa lí.

Nhưng độ không an toàn và rủi ro là khá lớn. Việc vận hành đòi hỏi điều kiện chuyên môn ngặt nghèo, yêu cầu đội ngũ chuyên gia có trình độ chuyên môn cao cũng như khó khăn trong việc xử lý sự cố và chất thải. [2] Thuỷ điện là nguồn năng lượng tái tạo với tiềm năngsử dụng rất lớn. Song việc xây dựng nhà máy đòi hỏi vốn đầu tư nhiều, thời gian xây dựng và khả năng thu hồi vốn lâu.

Đó là chưa kể việc phải di dân rất tốn kém và những thay đổi về môi trường sinh thái có thể xảy ra do hình thành các hồ chứa nước lớn.[2] Để khắc phục những nhược điểm của các nguồn năng lượng trên con người đã hướng tới các nguồn năng lượng sạch, có thể tái tạo như khí sinh học, gió, địa nhiệt, mặt trời, thuỷ triều. Tuy mới được sử dụng từ những năm cuối của thế kỉ XX,nhưng đây sẽ là những nguồn năng lượng tiềm tàng của nhân loại. Do sự cạn kiệt dần của các nguồn tài nguyên năng lượng không tái tạo, các nguồn năng lượng mới sẽ trở thành nguồn năng lượng cơ bản ở cả các nước phát triển và đang phát triển từ nửa sau của thế kỉ XXI[2]. Các nguồn năng lượng mới đó bao gồm:  Năng lượng sinh khối: đây là khí sinh vật được tạo ra từ việc lên men các phế thải hữu cơ nông nghiệp và sinh hoạt, nhằm một mặt đảm bảo nhu cầu đun nấu, thắp sáng cho cư dân nông nghiệp và mặt khác, góp phần bảo vệ môi trường nông thôn.[2]  Năng lượng gió: nguồn năng lượng này trong thiên nhiên là rất lớn.

Việc khai thác và đưa vào sản xuất điện năng đã và đang được tiến hành ở nhiều nước như Tây Âu, Bắc Âu, Hoa Kỳ, Ấn Độ.Ở nước ta -4- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] nguồn năng lượng gió được khai thác chủ yếu ở miền Nam, miền Trung và một số đảo nhỏ. [2]  Năng lượng địa nhiệt: nguồn năng lượng này ở sâu trong lòng đất được khai thác và sử dụng dưới dạng nhiệt và điện. Tiềm năng địa nhiệt ở một số nước rất lớn (nhưIreland, Hy Lạp, Pháp, Italia, Hoa Kỳ, Nhật Bản.) đã tạo điều kiện cho việc khai thác rộng rãi. Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi kĩ thuật cao và điều kiện địa lý do đó ở nước ta chưa phát triển.

 Năng lượng mặt trời: nguồn năng lượng này được sử dụng dưới hai dạng điện và nhiệt. Đây là nguồn năng lượng gần như vô tận để đun nước, sưởi ấm, sấy nông sản, vận hành pin quang điện. phục vụ cho các ngành kinh tế và đời sống con người. Ở nước ta, nguồn năng lượng này mới bước đầu được khai thác với quy mô nhỏ, thí dụ như pin mặt trời phục vụ các chiến sĩ ở quần đảo Hoàng Sa.

Trong các dạng năng lượng sạch kể trên, năng lượng mặt trời là có tiềm năng nhất vì mặt trời cung cấp một nguồn năng lượng dồi dào không cạn kiệt và không sản sinh ra khí thải CO2.Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của mặt trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất. Ánh sáng mặt trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất[2, 9]. Từ những lý do trên, việc phát triển ngành công nghệ năng lượng mặt trời đang được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và phát triển. Vài nét về pin năng lượng mặt trời Pin năng lượng mặt trời (pin mặt trời,pin quang điện) là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện.

Nói cách khác, pin mặt trời là thiết bị sản xuất ra điện năng từ các chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới các tế bào quang điện, chúng sẽ sản sinh ra điện năng. Khi không có -5- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ánh sáng, các tế bào này ngừng sản xuất điện. Quá trình chuyển đổi này còn được gọi là hiệu ứng quang điện.

[9] Tấm pin mặt trời là những tấm có bề mặt lớn thu thập ánh nắng mặt trời và biến đổi thành điện năng.