Chức năng cơ bản của pin năng lượng mặt trời là thu ánh sáng mặt trời và chuyển đổi nó thành điện năng. Vì vậy, màng thu ánh sáng trên bề mặt của pin được thiết kế để hấp thu năng lượng tốt nhất là yếu tố rất quan trọng. Công cuộc tìm kiếm những pin năng lượng mặt trời hiệu quả hơn đã dẫn đến một cuộc cạnh tranh gay gắt giữa các nhà khoa học để tìm ra vật liệu hấp thu năng lượng cao nhất đồng thời có giá thành thấp nhất.

Hướng tới mục tiêu đó, một nhóm các nhà khoa học từ Viện nghiên cứu Hệ thống nano California tại Đại học California ở Los Angeles (UCLA) đã cải thiện hiệu quả một loại vật liệu màng mới sẽ cách mạng hóa công nghệ pin năng lượng mặt trời. Các nhà nghiên cứu, do Giáo sư Yang Yang, Carol và Lawrence E. Tannas Jr tại Trường Kỹ thuật và khoa học ứng dụng Henry Samueli UCLA dẫn dắt, gần đây đã công bố hai nghiên cứu tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng của vật liệu perovskite và kesterite để chế tạo pin năng lượng mặt trời hiệu suất cao và chi phí thấp.

Kesterite là chất vô cơ (không có nguồn gốc từ thực vật hay động vật) được làm từ các vật liệu có dồi dào trong tự nhiên, như đồng, kẽm, thiếc và lưu huỳnh. Nhóm nghiên cứu của UCLA đã phát triển một phương pháp để tăng hiệu suất chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng bằng cách kiểm soát thành phần và sự phân bổ các tinh thể nano kesterite trong mực được sử dụng để tạo ra lớp màng trong pin năng lượng mặt trời.

Trong một bài báo được công bố trực tuyến trên tạp chí ACS Nano, nhóm Yang cho thấy khả năng kiểm soát và cải thiện thành phần và sự phân bổ các tinh thể nano trong mực kesterite, cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng tới 8,6% bằng một kỹ thuật nhất quán và có thể lặp lại.

“Thiết bị này sử dụng đồng, kẽm và thiếc và chúng tôi đã có thể kiểm soát tỷ lệ của các nguyên tố này để làm cho các tinh thể nano tốt hơn,” Huanping Zhou, học giả sau tiến sĩ và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. “Một vấn đề hay gặp phải trước đây là có quá nhiều khiếm khuyết trong lớp màng này do vấn đề về phân bổ nguyên tố. Chúng tôi hiện đang tổng hợp các tinh thể nano theo cách có thể kiểm soát chính xác các nguyên tố và sự phân bổ của chúng trong lớp màng này. Điều này cho phép chúng tôi tối đa hóa hiệu suất pin năng lượng mặt trời.”

Yang cho biết, nhóm nghiên cứu đã có thể thiết lập một quy trình đầy đủ với vật liệu này. “Điều đó có nghĩa là tất cả các lớp nguyên tố cần thiết của pin mặt trời - chất hấp phụ, điện cực, v.v.., là chất lỏng có thể được phun hoặc sơn lên bề mặt để tạo ra lớp màng cho pin năng lượng mặt trời”, ông nói. “Bề mặt này có thể là mái của một chiếc xe điện, hoặc là một bức tường bên ngoài của tòa nhà, cửa sổ hoặc mái nhà.” Yang cũng chỉ ra rằng kesterite rất ổn định trong khi đồng, kẽm và thiếc rẻ và phổ biến.

Perovskite là vật liệu lai hữu cơ và vô cơ kết hợp cacbon và chì. Lần đầu tiên perovskite được sử dụng để chế tạo pin năng lượng mặt trời cách đây 5 năm và từ đó đến nay, đã có những cải tiến nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng của perovskite lên tới gần 20%.

“Chúng tôi đã phát triển kỹ thuật kiểm soát sự hình thành của perovskite để chế tạo pin năng lượng mặt trời với hiệu suất chỉ dưới 20%”, Qi Chen, học giả sau tiến sĩ và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. “Perovskite là một loại vật liệu có giá thành rất thấp và nó rất mỏng, chỉ dày bằng 1/1000 pin năng lượng mặt trời silic thông thường. Nó có thể được chế tạo mềm dẻo để treo trên tường, hay có thể được sử dụng để xây dựng một trang trại năng lượng mặt trời.”

Ban đầu perovskite cũng là một loại mực lỏng và các nhà nghiên cứu UCLA đã kiểm soát một cách chính xác động lực học của vật liệu này trong quá trình hình thành của nó trong không khí ở nhiệt độ thấp. Điều này làm cho việc sản xuất các thiết bị perovskite có diện tích lớn với các mức hiệu suất cao không tốn kém. Kỹ thuật cải tiến này có thể được sử dụng trong các thiết bị bằng perovskite với các ứng dụng khác nhau như điốt phát sáng, bóng bán dẫn hiệu ứng trường và thiết bị cảm biến.

Chen cho biết, do hiện nay perovskite không ổn định trong không khí và bị suy giảm hiệu suất theo thời gian, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu để làm cho nó ổn định hơn. Và bởi vì chì là một nguyên tố độc hại, vật liệu perovskite thân thiện môi trường không chứa chì sẽ là một chủ đề hấp dẫn trong tương lai.