Viết trong ấn bản ngày 21/10 của tạp chí Science, các nhà nghiên cứu từ Đại học Stanford và Oxford mô tả việc sử dụng thiếc và các yếu tố phong phú khác để tạo ra các hình thức mới của perovskite - một loại vật liệu tinh thể quang điện mỏng hơn, linh hoạt hơn và dễ sản xuất hơn các tinh thể silicon.

"Chất bán dẫn perovskite cho thấy rất hứa hẹn để làm các pin năng lượng mặt trời hiệu quả cao với chi phí thấp", đồng tác giả của nghiên cứu - Michael McGehee, một giáo sư về khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Đại học Stanford cho biết. "Chúng tôi đã thiết kế một thiết bị perovskit mạnh mẽ giúp chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện với hiệu suất 20,3%, tỷ lệ cạnh trạnh với các tế bào năng lượng mặt trời silicon trên thị trường hiện nay."

Các thiết bị mới bao gồm hai tế bào năng lượng mặt trời perovskite xếp chồng lên nhau. Mỗi tế bào được in trên kính, nhưng các công nghệ tương tự có thể được sử dụng để in các tế bào trên nhựa, McGehee nói thêm.

"Các tế bào perovskit, chúng tôi đã vạch ra rõ ràng một lộ trình cho các pin năng lượng mặt trời màng mỏng để cung cấp hơn 30% hiệu quả", đồng tác giả Henry Snaith, một giáo sư vật lý tại Đại học Oxford cho biết. "Điều này chỉ là khởi đầu."

Các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng việc thêm một lớp của perovskite có thể nâng cao hiệu quả của các tế bào năng lượng mặt trời silicon. Nhưng một thiết bị song song gồm hai tế bào toàn perovskit sẽ rẻ hơn và tốn ít năng lượng để xây dựng, các tác giả cho biết.

"Một pano năng lượng mặt trời bằng silicon bắt đầu bằng cách chuyển đổi silica đá thành các tinh thể silicon thông qua một quá trình có liên quan đến nhiệt độ trên 3.000 độ F (1.600 độ C)," tác giả đồng lãnh đạo Tomas Leijtens, một học giả sau tiến sĩ tại Đại học Stanford cho biết. "Các tế bào perovskite có thể được xử lý trong phòng thí nghiệm từ những vật liệu phổ biến như chì, thiếc và brom, sau đó in trên kính ở nhiệt độ phòng."

Nhưng để xây dựng một thiết bị song song tất cả các perovskit là một thách thức khó khăn. Vấn đề chính là việc tạo ra các vật liệu perovskite ổn định có khả năng chụp đủ năng lượng từ mặt trời để tạo ra một điện áp phù hợp.

Một điển hình perovskite thu hoạch tế bào photon từ phần nhìn thấy của quang phổ mặt trời. photon năng lượng cao hơn có thể gây ra các điện tử trong tinh thể perovskite để nhảy qua một "khoảng cách năng lượng" và tạo ra một dòng điện.

Một tế bào năng lượng mặt trời với một khoảng cách năng lượng nhỏ có thể hấp thụ các photon nhất nhưng tạo ra một điện áp rất thấp. Một tế bào với một khoảng cách năng lượng lớn hơn tạo ra một điện áp cao hơn, nhưng các photon năng lượng thấp vượt qua ngay qua nó.

Một thiết bị song song hiệu quả sẽ bao gồm hai tế bào lý tưởng phù hợp, cho biết tác giả đồng-chì Giles Eperon, một Oxford sau tiến sĩ hiện đang học giả tại Đại học Washington.

"Các tế bào có khoảng cách năng lượng lớn hơn sẽ hấp thụ các photon năng lượng cao hơn và tạo ra một điện áp thêm," Eperon nói. "Các tế bào có khoảng cách năng lượng nhỏ hơn có thể thu hoạch photon mà không được thu thập bởi các tế bào đầu tiên và vẫn còn sản xuất một điện áp."

Khoảng cách nhỏ hơn đã được chứng minh là thách thức lớn cho các nhà khoa học. Làm việc cùng nhau, Eperon và Leijtens sử dụng một sự kết hợp độc đáo của thiếc, chì, cesium, iốt và các vật liệu hữu cơ để tạo ra một tế bào hiệu quả với một khoảng cách năng lượng nhỏ.

"Chúng tôi đã phát triển một perovskite tiểu thuyết hấp thụ ánh sáng hồng ngoại năng lượng thấp hơn và cung cấp một hiệu suất chuyển đổi 14,8 phần trăm," Eperon nói. "Sau đó chúng tôi kết hợp nó với một tế bào perovskite gồm các tài liệu tương tự nhưng với một khoảng cách năng lượng lớn hơn."

Kết quả: Một thiết bị song song gồm hai tế bào perovskite với một hiệu quả kết hợp của 20,3 phần trăm.

"Có hàng ngàn hợp chất có thể cho perovskites," Leijtens thêm, "nhưng điều này hoạt động rất tốt, khá một chút tốt hơn so với bất cứ điều gì trước khi nó."

Một mối quan tâm với perovskites là sự ổn định. Rooftop tấm pin mặt trời làm bằng silicon thường 25 năm qua hoặc hơn. Nhưng một số perovskites làm suy giảm một cách nhanh chóng khi tiếp xúc với hơi ẩm hay ánh sáng. Trong các thí nghiệm trước đó, perovskites làm bằng thiếc đã được tìm thấy là đặc biệt không ổn định.

Để đánh giá sự ổn định, nhóm nghiên cứu phải chịu cả hai tế bào thí nghiệm với nhiệt độ 212 độ F (100 độ C) trong bốn ngày.

"Điều quan trọng, chúng tôi thấy rằng các tế bào của chúng ta hiện sự ổn định nhiệt và không khí tuyệt vời, chưa từng có cho perovskites tin dựa trên", các tác giả viết.

"Hiệu quả của thiết bị song song của chúng tôi đã vượt xa các tế bào năng lượng mặt trời song song tốt nhất được thực hiện với chất bán dẫn chi phí thấp khác, chẳng hạn như các phân tử nhỏ hữu cơ và silic vi," McGehee nói. "Những người nhìn thấy tiềm năng nhận ra rằng những kết quả thật tuyệt vời."

Bước tiếp theo là để tối ưu hóa các thành phần của vật liệu hấp thụ nhiều ánh sáng và tạo ra một hiện nay thậm chí cao hơn, Snaith nói.

"Sự linh hoạt của perovskites, chi phí thấp của vật liệu và sản xuất, hiện nay cùng với các tiềm năng để đạt được hiệu quả rất cao, sẽ được biến đổi cho ngành công nghiệp quang điện một lần manufacturability và ổn định có thể chấp nhận cũng được chứng minh," ông nói.