Cấu trúc tinh thể hai chiều của perovskites halogenua 2-D có khả năng chống ẩm cao, do đó, nó có thể giúp tăng hiệu suất và độ bền của pin mặt trời có lớp perovskite 3-D halogen hấp thụ ánh sáng. Tuy nhiên, hầu hết các chiến lược kết hợp perovskite halogenua 2-D và 3-D được đề xuất cho đến nay chỉ đơn giản là trộn hai vật liệu này với nhau (ví dụ: trộn tiền chất 2-D với perovskite 3-D dựa trên dung dịch hoặc phản ứng tiền chất 2-D dung dịch trên lớp perovskite 3-D).

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Seoul và Đại học Hàn Quốc gần đây đã phát minh ra một phương pháp thay thế để tạo ra các pin mặt trời kết hợp perovskite halogenua 2-D và 3-D. Cách tiếp cận này, đăng trên tạp chí Nature Energy, có thể giúp cải thiện đồng thời cả hiệu quả và sự ổn định lâu dài của các pin này.

“Mặc dù việc trộn các màng perovskite khác nhau có một số tác dụng tốt đến hiệu quả và độ ổn định độ ẩm, nhưng sự hình thành 2-D thông qua quá trình xử lý dung dịch với phản ứng hóa học của tiền chất 2-D với 3-D halogenua có nhiều hạn chế, chẳng hạn như dễ bị tác động bởi nhiệt và khó khăn trong việc tạo các mối nối để thiết kế điện trường bên trong thiết bị do sự hình thành pha 2-D chuẩn (the quasi-two-dimensional) ngoài ý muốn. Chúng tôi đã cố gắng giải quyết vấn đề này”, GS Jun Hong Noh cho biết trên TechXplore.

Để khắc phục những hạn chế của các chiến lược tạo ra pin mặt trời perovskite 2-D/3-D halogenua được đề xuất trước đây, Giáo sư Noh và các đồng nghiệp của ông đã cố gắng tạo ra một điểm nối phù hợp ở giữa lớp hấp thụ ánh sáng của pin mặt trời (với một dải tần hẹp) và lớp 2-D chức năng (với băng thông rộng). Lớp chức năng này được tìm thấy trong nhiều cấu trúc pin mặt trời hiệu suất cao hiện có, bao gồm arsenide gali (GaAs) và pin năng lượng mặt trời dị thể với lớp bán dẫn siêu mỏng bên trong (HIT).

Pin mặt trời GaAs và HIT sử dụng chất bán dẫn III-V (AlGaAs) và silicon vô định hình (a-Si), như một lớp chức năng với dải tần rộng, để tạo thành điện trường thích hợp bên trong. Trong các pin mặt trời, lớp chức năng và lớp hấp thụ ánh sáng thường đồng nhất. Do đó, để thiết kế những tấm pin mặt trời mới này, giáo sư Noh và các đồng nghiệp của ông đảm bảo rằng họ sử dụng perovskite 2-D halogen với một dải rộng đồng nhất với perovskite 3-D mà họ đã chọn.

GS Noh nói, để tạo một mạch nối giao nhau 2-D/3-D nguyên vẹn, chúng tôi thấy quá trình xử lý dung dịch cần phải loại trừ khi định hình mạch nối. Đó là cách thức quy trình tăng trưởng trong mặt phẳng pha rắn (the solid-phase in-plane growth (SIG) ra đời. Trong quy trình SIG, phim 3-D và phim 2-D được chuẩn bị riêng biệt, phim 2-D được xếp chồng lên film 3-D để chúng quay mặt vào nhau, sau đó bằng phương pháp gia nhiệt và áp suất để tạo ra màng 2-D phát triển trên lớp 3-D.

Sử dụng chiến lược thiết kế độc đáo này, các nhà nghiên cứu phát triển được một màng 2-D có độ trong suốt cao trên màng perovskite 3-D halogen mà không làm hỏng màng này và không cần sử dụng dung môi. Điều này dẫn đến sự hình thành của mạch nối giao nhau 2-D / 3-D nguyên vẹn.

Giáo sư Noh và các đồng nghiệp của ông phát hiện ra rằng cách tiếp cận của họ không dẫn đến sự hình thành màng bán 2-D ngoài ý muốn đôi khi có thể xảy ra khi các màng perovskite halogenua 2-D và 3-D được trộn với nhau. Cấu trúc màng bằng phương pháp mới này là ổn định về mặt nhiệt, đồng thời cho phép các nhà nghiên cứu dễ dàng kiểm soát độ dày của màng 2-D và điều khiển điện trường bên trong của mạch giao nhau 2-D/3-D.

“Cách tiếp cận của chúng tôi có thể đồng thời cải thiện hiệu quả và tính ổn định lâu dài của pin mặt trời perovskite. Ngoài ra, chúng tôi đã giới thiệu một phương pháp để tạo ra mối nối nguyên vẹn (halogen/ halogen) giữa các halogen đồng nhất, thay vì tạo ra mạch giao nhau giữa các vật liệu không đồng nhất (halogen/oxit hoặc halogen/hữu cơ), dạng cấu trúc thiết bị thông thường cho đến nay trong pin mặt trời perovskite”, GS Noh nói.

Chiến lược thiết kế do Giáo sư Noh và các đồng nghiệp của ông đưa ra có thể sớm được sử dụng để tạo ra pin mặt trời perovskite mối nối halogenua 2-D/3-D vừa có hiệu suất cao vừa có độ ổn định nhiệt cao. Trong tương lai, nghiên cứu của họ cũng có thể truyền cảm hứng cho các nhóm nghiên cứu khác áp dụng chiến lược tương tự hoặc đưa ra các phương pháp tương tự để cải thiện hiệu suất của pin mặt trời perovskite.

GS Noh cũng cho biết, trong nghiên cứu gần đây, họ đã sử dụng butylammonium chì iodide (BA2PbI4), cấu trúc đơn giản nhất trong số các perovskite 2-D halogen. Tuy nhiên, nghiên cứu khám phá việc áp dụng perovskite 2-D mới này đang được tiến hành để tạo ra được các mạch nối nhau 2-D/3-D tốt hơn. Thông qua đó, họ hy vọng rằng sẽ có thể triển khai pin mặt trời perovskite hiệu quả cao, chẳng hạn như GaAs.