Nghiên cứu chế tạo và tính chất pin mặt trời sử dụng cấu trúc lai từ đó ứng dụng vào việc phát triển ngành công nghiệp năng lượng sạch
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng có nhiều tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng truyền thống như dầu, khí đốt, than đá đang dần bị cạn kiệt. TS. Phạm Văn Trình và nhóm nghiên cứu thuộc Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã thực hiện thành công đề tài “Nghiên cứu chế tạo và tính chất của pin mặt trời sử dụng cấu trúc lai poly (3,4-ethylene dioxythiophene): poly (styrene sulfonate)/ graphene quantum dots/ vật liệu Si cấu trúc nano/lớp plasmonic bắt sáng gồm các hạt vàng kích thước nano”. Đề tài có hai mục tiêu chính: (i) nghiên cứu tính chất vật liệu cấu trúc lai AuNP/ GQD/PEDOT: PSS và Si cấu trúc nano (SiNW, SiNH và SiNP) và sử dụng để chế tạo pin mặt trời; (ii) xác định hiệu suất và tìm hiểu cơ chế tăng cường hiệu suất của pin mặt trời trong từng trường hợp của cấu trúc lai nói trên.
Thế hệ pin mặt trời dựa trên nền vật liệu cấu trúc nano đã và đang nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học trong việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi bằng cách cải thiện khả năng hấp thụ quang. Một số nghiên cứu cho thấy vật liệu Si cấu trúc nano có một số tính chất đặc biệt, sử dụng Si cấu trúc nano dạng khối và dạng màng vào pin mặt trời sẽ nâng cao hiệu suất, giảm chi phí sản xuất.
Hiệu suất cao nhất thu được của pin mặt trời dựa trên cấu trúc, vật liệu khác nhau
Gần đây, pin mặt trời sử dụng cấu trúc lai kết hợp vật liệu SiNW và vật liệu hữu cơ đang được quan tâm phát triển mạnh. Cấu trúc pin mặt trời dạng này yêu cầu nhiệt độ chế tạo thấp do đặc tính của vật liệu hữu cơ và có khả năng giảm chi phí sản xuất, hạ giá thành sản phẩm. Ngoài ra, các pin mặt trời sử dụng vật liệu này có trọng lượng thấp, tính linh hoạt cơ học và khả năng thay thế cao. Hầu hết các báo cáo về pin mặt trời dựa trên nền tảng cấu trúc lai vô cơ/hữu cơ với hiệu suất chuyển đổi cao sử dụng một lớp polyme dẫn mỏng là Poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) bọc quanh các cấu trúc nano Si để hình thành các lớp tiếp giáp với diện tích lớn hơn.
Việc đưa vào các lớp vật liệu như graphene, chấm lượng tử graphene (GQD) hay lớp plasmonic bắt sáng gồm các hạt nano vàng (AuNP), nano bạc (AgNP) vào các polyme dẫn cũng được quan tâm nghiên cứu. Nghiên cứu tổng quan cho thấy chưa có nhiều nghiên cứu theo hướng kết hợp cả GQD và AuNP trong cùng một cấu trúc pin mặt trời lai Si/PEDOT: PSS. Như vậy, đây là một vấn đề nghiên cứu mới.
Nghiên cứu pin mặt trời sử dụng cấu trúc lai AuNP/GQD/ PEDOT: PSS và Si cấu trúc nano đã được chia làm 3 nhóm chính: (i) nghiên cứu chế tạo vật liệu Si cấu trúc nano; (ii) nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu chức năng PEDOT:PSS/GQD/AuNP và (iii) nghiên cứu khảo sát tính chất của pin mặt trời sử dụng cấu trúc lai.
Mô tả tổng quan các đối tượng và vấn đề nghiên cứu của pin mặt trời sử dụng cấu trúc lai AuNP/GQD/PEDOT:PSS và Si cấu trúc nano
Phương pháp ăn mòn hóa học đã được nhóm nghiên cứu sử dụng để chế tạo các vật liệu Si cấu trúc nano khác nhau bao gồm SiNP, SiNH và SiNW. Cấu trúc SiNP chế tạo được bao gồm các cấu trúc kim tự tháp với nhiều kích thước khác nhau từ 0,2 đến 2,5 µm. SiNH mật độ cao với kích thước đường kính lỗ nano trung bình khoảng 40 nm và độ sâu trung bình khoảng 680 nm được chế tạo thành công. Cấu trúc SiNW thu được bằng quy trình ăn mòn một bước có chiều dài trung bình là 720 nm đã bao phủ đồng nhất toàn bộ bề mặt Si.
Sự ảnh hưởng của một số điều kiện điều kiện công nghệ đến tính chất của pin mặt trời Si/PEDOT:PSS/GQD/AuNP đã được khảo sát với một số kết luận thu được từ nghiên cứu này như sau: (i) Nồng độ GO, AuNP tối ưu để chế tạo pin mặt trời cấu trúc lai được xác định là 0.5 % theo khối lượng. (ii) Các cấu trúc nano Si bao gồm SiNW, SiNH và SiNP có ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời cấu trúc lai trong đó pin mặt trời sử dụng SiNW cho hiệu suất chuyển đổi lớn nhất và với hiệu suất đạt được lớn hơn 40% so với pin mặt trời cấu trúc lai sử dụng đế Si phẳng và (iii) Khi sử dụng đồng thời AuNP và GQD trong pin mặt trời cấu trúc lai cho phép tận dụng được những ưu điểm của cả hai loại vật liệu trên. Kết quả cho thấy, pin mặt trời cấu trúc lai SiNW/PEDOT:PSS/GQD/AuNP có hiệu suất chuyển đổi quang điện tốt nhất là 10.39% lớn hơn gần 10% so với pin mặt trời chỉ chứa AuNP và 7.5% so với pin mặt trời chỉ chứa GQD.
(a) Mô hình cấu trúc, (b) modul pin mặt trời sau khi chế tạo, (c) Ảnh SEM của pin mặt trời cấu trúc lai SiNW/PEDOT:PSS/GQD/AuNP, (d) chấm lượng tử graphene (GQD), (e) Hạt nano vàng (AuNP) và đặc trưng J-V của pin mặt trời.
Kết quả của đề tài đã được công bố trong 02 bài báo khoa học trên các tạp chí thuộc danh mục SCI: Materials Letters (Q1, IF = 3.423) và Global Challenges (Q2, IF = 3.847); và 01 bài báo sẽ được đăng trên tạp chí Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology. Đề tài đã hỗ trợ đào tạo 01 Thạc sĩ và xây dựng 01 quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời cấu trúc lai vô cơ/hữu cơ có hiệu suất chuyển đổi quang điện lớn hơn 10% quy mô phòng thí nghiệm tại các Trường đại học và các Viện nghiên cứu về chế tạo pin mặt trời.
Kết quả nghiên cứu của đề tài được kỳ vọng sẽ có những đóng góp cho sự phát triển của ngành công nghiệp pin mặt trời với mục tiêu nâng cao hiệu suất và làm giảm chi phí sản xuất. Qua đó, hướng tới khả năng ứng dụng, phát triển ngành công nghiệp năng lượng sạch sử dụng pin mặt trời trong tương lai. Đề tài được hội đồng nghiệm thu đánh giá xếp loại xuất sắc.
Chi tiết đường link các công bố liên quan:
1. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167577X21000136;
2. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/gch2.202000010
