Trong một bước đột phá đáng kể đối với công nghệ quang điện, các nhà nghiên cứu từ Đại học Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) và Humboldt{1}}của Đức đã đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng kỷ lục thế giới mới là 25,5% cho pin mặt trời song song perovskite-CIGS. Cột mốc quan trọng này được Cơ quan thử nghiệm năng lượng mặt trời châu Âu (ESTI) chứng nhận, thể hiện hiệu suất cao nhất từng được ghi nhận đối với sự kết hợp vật liệu cụ thể này và đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc phát triển công nghệ năng lượng mặt trời màng mỏng.
Kiến trúc song song
Thiết bị này có khả năng đạt kỷ lục thế giới về hiệu quả nhờ thiết kế sử dụng cả ô trên (perovskite) và ô dưới (CIGS) cùng nhau tạo nên cái được gọi là "cấu trúc song song nguyên khối". Do đó, mỗi phần của tế bào hấp thụ và chuyển đổi năng lượng mặt trời ở các bước sóng khác nhau trong quang phổ mặt trời-tức là tế bào trên cùng hấp thụ ánh sáng năng lượng cao (tia cực tím); trong khi tế bào phía dưới hấp thụ ánh sáng năng lượng thấp (hồng ngoại). Do cấu trúc này, mặt trái của ô phía trên và mặt trái của ô phía dưới sẽ hấp thụ các phần khác nhau của quang phổ mặt trời với hiệu suất cao hơn so với hiệu suất mà một thiết bị đơn lẻ có thể tự đạt được; do đó tạo ra sự gia tăng hiệu quả tổng thể khi hai thiết bị hoạt động cùng nhau theo cách sắp xếp song song.
Những đổi mới kỹ thuật đằng sau sự đột phá
Để đạt được kỷ lục này, các nhà nghiên cứu của HZB và Humboldt{0}}Đại học đã tối ưu hóa một cách có hệ thống nhiều khía cạnh của cấu trúc thiết bị. Họ đã khám phá các tế bào đáy dựa trên CIGS-với khoảng trống dải được điều chỉnh cẩn thận là 1,05 eV và 1,1 eV, cùng với hai lớp oxit kẽm pha tạp nhôm-có độ dày khác nhau. Kỹ thuật về khoảng cách dải tần tỉ mỉ này cho phép chúng kết hợp tốt hơn thế hệ hiện tại giữa các ô con trên cùng và dưới cùng-một yếu tố quan trọng trong hiệu suất của thiết bị song song.
Nhóm cũng đã tiến hành sàng lọc rộng rãi các vật liệu lớp vận chuyển lỗ trống, thử nghiệm nhiều cách kết hợp khác nhau giữa oxit niken (NiOx) và các lớp đơn-tự lắp ráp (SAM). Các lớp giao diện này đóng một vai trò quan trọng trong việc trích xuất các hạt mang điện được tạo ra trong khi ngăn chặn sự thất thoát tái hợp-một cơ chế hạn chế hiệu suất chính-trong pin mặt trời. Bằng cách xác định cấu hình giao diện tối ưu, các nhà nghiên cứu có thể đồng thời cải thiện tính chọn lọc điện tích và giảm thiểu tổn thất năng lượng tại các điểm tiếp xúc.
Có lẽ đáng chú ý nhất là nhóm đã cải tiến sự hình thành tiếp xúc chọn lọc electron-bằng cách kiểm soát chính xác tốc độ bay hơi nhiệt ban đầu của Buckminsterfullerene (C60) lắng đọng trên lớp thụ động lithium fluoride (LiF) siêu mỏng 1 nm. Cách tiếp cận tinh vi này cho phép cái mà họ mô tả là “sự hình thành giao diện được kiểm soát tốt hơn và sự liên kết điện tử được cải thiện”, chứng tỏ rằng kỹ thuật chế tạo các lớp tiếp xúc ở cấp độ nano có thể mang lại hiệu suất đáng kể.
Từ phòng thí nghiệm đến mô-đun thực hành
Mặc dù đạt được hiệu suất kỷ lục trên một thiết bị có diện tích nhỏ 1,081 cm² nhưng các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng khả năng tối ưu hóa của chúng có thể được chuyển sang các định dạng lớn hơn. Bằng cách sử dụng chồng vật liệu tương tự, họ đã chế tạo một mô-đun-nhỏ có diện tích 2,25 cm² đạt hiệu suất khoảng 19,7%. Mặc dù điều này thể hiện sự sụt giảm đáng kể so với-hiệu quả của ô nhỏ nhưng nó cung cấp bằng chứng đáng khích lệ rằng giao diện cơ bản và chiến lược liên hệ có thể được mở rộng ra ngoài phạm vi cài đặt trong phòng thí nghiệm.
Bước đệm, không phải đích đến cuối cùng
Có lẽ khía cạnh thú vị nhất của thông báo này là những gì nó gợi ý về tiềm năng trong tương lai. Nhà nghiên cứu Guillermo Farias Basulto của HZB lưu ý rằng "vật lý cơ bản trong cấu trúc tế bào hiện tại của chúng ta chỉ ra rằng 25,5% chỉ là một cột mốc ban đầu". Thử nghiệm nội bộ các thiết kế tương tự đã đạt được hiệu suất lên tới 27,5%, cho thấy ý tưởng thiết bị cơ bản vẫn còn tiềm năng đáng kể chưa được khai thác.
Nghiên cứu này được thực hiện như một phần của dự án "SOLMATES", một sáng kiến-do EU tài trợ do HZB dẫn đầu nhằm khám phá sự tích hợp của CIGS và công nghệ perovskite. Kỷ lục trước đây của HZB trong chương trình này là 24,6%, khiến việc tăng vọt lên 25,5% là một bước tiến có ý nghĩa, mặc dù là tăng dần.
Ý nghĩa đối với ngành công nghiệp năng lượng mặt trời
Thành tựu này có ý nghĩa quan trọng đối với ngành công nghiệp pin mặt trời. Pin màng mỏng CIGS-sẽ có một số ưu điểm so với pin mặt trời màng mỏng-thông thường, chẳng hạn như linh hoạt, có thể hoạt động tốt trong điều kiện được chiếu sáng một phần và có chi phí sản xuất thấp. Bằng cách kết hợp các ưu điểm của tế bào CIGS với ưu điểm của tế bào perovskite, tế bào CIGS có tiềm năng được sử dụng cho các ứng dụng mới trong thiết bị điện tử linh hoạt và BIPV, nơi không thể sử dụng tế bào silicon.
Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các hệ thống song song-CIGS perovskite có khả năng cạnh tranh với các hệ thống song song dựa trên silicon-. Ngoài khả năng được sản xuất chỉ bằng một màng mỏng, chúng còn có thể được sản xuất bằng vật liệu ít hơn một micromet. Thiết kế siêu nhẹ và linh hoạt của chúng sẽ mang lại những cơ hội mới cho việc sử dụng chúng làm giải pháp tích hợp xây dựng hoặc ứng dụng điện tử di động.
Con đường phía trước
Mặc dù 25,5% là một thành tích đáng chú ý nhưng giới hạn hiệu quả về mặt lý thuyết đối với các bộ song song perovskite{1}}CIGS vượt quá 30%. Khoảng cách giữa kỷ lục hiện tại và mức trần lý thuyết này cho thấy vẫn có thể cải thiện đáng kể thông qua việc liên tục tối ưu hóa chất lượng vật liệu, kỹ thuật giao diện và quản lý quang học. Phương pháp tiếp cận có hệ thống của nhóm người Đức-khám phá nhiều băng thông, kết hợp lớp truyền tải và chiến lược kỹ thuật liên hệ-cung cấp kế hoạch chi tiết về phương pháp luận cho những nỗ lực trong tương lai.
Khi ngành công nghiệp năng lượng mặt trời toàn cầu tiếp tục mở rộng nhanh chóng, những đổi mới trong công nghệ pin song song sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc giảm chi phí điện mặt trời. Thành tựu của các nhà nghiên cứu Đức về hiệu suất 25,5% đối với các cặp song song perovskite{2}}CIGS không chỉ là một kỷ lục thế giới mới mà còn là minh chứng cho tiềm năng phi thường nằm ở điểm giao thoa của hai hệ thống vật liệu đáng chú ý này. Với-kết quả nội bộ cho thấy mức 27,5% nằm trong tầm tay và với giới hạn lý thuyết vẫn còn cao hơn nhiều, hành trình hướng tới hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời mang tính biến đổi thực sự còn lâu mới kết thúc.
