Thành Đô, Trung Quốc – ngày 20 tháng 10 năm 2025– Trong một thành tựu mang tính bước ngoặt đối với năng lượng tái tạo, các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Trung Quốc (UETC) đã phát triển pin mặt trời perovskite đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng được chứng nhận là 25,13%. Bước đột phá này được hiện thực hóa bằng cách kết hợp-cacbua titan hai chiều, được gọi là MXene, làm chất phụ gia đa chức năng vào lớp hấp thụ ánh sáng perovskite-. Sự đổi mới này thể hiện một bước tiến đáng kể không chỉ trong việc tăng cường hiệu suất mà còn trong việc giải quyết những thách thức quan trọng về độ ổn định và quản lý nhiệt vốn từng cản trở việc triển khai thương mại quang điện perovskite.
Cấu trúc tế bào mới, được trình bày chi tiết trong nghiên cứu "MXene đa chức năng để quản lý nhiệt trong pin mặt trời Perovskite" được công bố trên tạp chíVĩ mô-Chữ cái vi mô, có chất nền là thủy tinh và oxit thiếc indi (ITO), lớp vận chuyển điện tử được làm từ oxit thiếc (SnO₂), chất hấp thụ perovskite biến tính MXene-, lớp vận chuyển lỗ sử dụng Spiro-OMeTAD và điểm tiếp xúc kim loại vàng .
Cốt lõi của sự tiến bộ này nằm ở những đặc tính độc đáo của MXene. Các hợp chất này, được đặt tên theo cấu trúc giống như graphene,-được biết đến nhờ tính dẫn kim loại đặc biệt, tính linh động của hạt mang điện cao và các đặc tính bề mặt có thể điều chỉnh được. Khi các tấm nano Ti₃C₂Tₓ MXene được nhúng vào lớp perovskite, chúng hoạt động như một thành phần linh hoạt giúp tăng cường đồng thời khả năng tản nhiệt và hiệu suất quang điện tử.
Nhóm nghiên cứu cho biết: "Cộng đồng nghiên cứu năng lượng mặt trời đang tìm kiếm một loại vật liệu có thể đồng thời tối ưu hóa việc khai thác điện tích, tăng cường độ ổn định và xử lý dễ dàng. Ưu điểm đa chức năng của MXene làm nổi bật tiềm năng to lớn của nó trong việc chế tạo pin mặt trời perovskite không chỉ với hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao mà còn có độ ổn định nhiệt tuyệt vời".
Một trong những chức năng quan trọng nhất của phụ gia MXene là vai trò của nó trong việc quản lý nhiệt. Dưới ánh sáng mặt trời liên tục, sự tích tụ nhiệt trong pin mặt trời là nguyên nhân chính làm giảm hiệu suất. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng việc kết hợp các tấm nano Ti₃C₂Tₓ đã tạo ra các đường dẫn nhiệt hiệu quả bên trong màng perovskite. Điều này làm tăng độ dẫn nhiệt của lớp từ 0,236 W·m⁻¹·K⁻¹ lên 0,413 W·m⁻¹·K⁻¹ . Do đó, nhiệt độ hoạt động của pin mặt trời trong điều kiện chiếu sáng tiêu chuẩn đã giảm khoảng 3 độ, từ 42,96 độ xuống 39,97 độ, giảm thiểu đáng kể sự suy thoái do nhiệt-gây ra.
Ngoài khả năng quản lý nhiệt, tấm nano MXene còn mang lại nhiều lợi ích khác. Chúng đóng vai trò là chất thụ động khuyết tật hiệu quả ở ranh giới hạt của tinh thể perovskite, làm giảm tổn thất tái hợp điện tích. Điều này dẫn đến màng perovskite đồng đều hơn và mịn hơn với kích thước hạt lớn hơn, được xác nhận bằng việc giảm độ nhám của màng từ 24,9 nm xuống 15,2 nm. Hơn nữa, màng perovskite biến tính thể hiện sự hấp thụ ánh sáng mạnh hơn ở vùng khả kiến.
Hiệu quả tổng hợp của những cải tiến này đã mang lại hiệu suất-phá kỷ lục. Thiết bị vô địch đã đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 25,13%, tăng đáng kể so với hiệu suất 23,70% của tế bào tham chiếu không có MXene. Nó cũng cho thấy các đặc tính điện vượt trội, với điện áp-mạch hở là 1,177 V, mật độ dòng điện ngắn mạch-là 25,29 mA cm⁻² và hệ số lấp đầy là 84,4%.
Có lẽ điều quan trọng không kém bước nhảy vọt về hiệu quả là sự cải thiện rõ rệt về độ ổn định của thiết bị. Pin dựa trên MXene-giữ được khoảng 80% hiệu suất ban đầu sau 500 giờ tiếp xúc với-điều kiện nhiệt độ cao 85 độ và độ ẩm tương đối khoảng 30-35% . Trong thử nghiệm độ ổn định được thực hiện trong môi trường nitơ với khả năng theo dõi điểm công suất tối đa, thiết bị đã duy trì được 70% hiệu suất ban đầu sau 500 giờ, vượt trội đáng kể so với tế bào điều khiển vốn đã giảm tới 20% hiệu suất ban đầu. Sự ổn định mạnh mẽ này là một chỉ số quan trọng về tiềm năng hoạt động lâu dài của công nghệ.
Mặc dù có những kết quả đầy hứa hẹn, nhóm nghiên cứu thừa nhận rằng vẫn còn những thách thức trên con đường thương mại hóa, chủ yếu liên quan đến chi phí cao và độ phức tạp của việc tổng hợp vật liệu Ti₃C₂Tₓ. Nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa các lộ trình tổng hợp để giảm chi phí và cải thiện khả năng tái sản xuất. Khám phá các vật liệu MXene thay thế, chẳng hạn như Ti₂CTₓ, cũng là hướng đi chính cho công việc trong tương lai.
Bước đột phá này đạt được thông qua việc tích hợp chiến lược MXene, soi sáng một tương lai tươi sáng và hiệu quả hơn cho năng lượng mặt trời. Nó mang đến một ngày mà quang điện -hiệu suất cao, bền và{2}}hiệu quả về mặt chi phí sẽ trở thành nguồn năng lượng sạch chủ đạo gần hơn đáng kể.
Về Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Trung Quốc (UETC):
Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Trung Quốc là một trường đại học quốc gia lâu đời{0}nổi tiếng với các chương trình nghiên cứu tập trung vào khoa học điện tử và thông tin, khoa học vật liệu và công nghệ năng lượng.
