Perovskite là vật liệu được đánh giá có nhiều tiềm năng ứng dụng trong quang điện, hứa hẹn trở thành mũi nhọn trong nghiên cứu và sản xuất pin mặt trời. Pin perovskite nhiều tiềm năng ứng dụng để phát triển điện mặt trời với tính linh hoạt, quy trình sản xuất tương đối dễ và chi phí thấp. Do vậy, pin perovskite được kỳ vọng sẽ sớm được hoàn thiện và bán rộng rãi trên thị trường. Dự báo Trung Quốc và Nhật Bản sẽ là những quốc gia đóng góp phần lớn vào thị trường pin perovskite trên thế giới. Khu vực châu Á – Thái Bình Dương được cho là thị trường lớn nhất của pin perovskite trong tương lai.
Chương trình đào tạo ngành Vật lý kỹ thuật được xây dựng với nhiều định hướng chuyên môn sâu, trong đó có Năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, năng lượng gió và các nguồn năng lượng thay thế khác); quang học – quang điện tử và quang tử (chế tạo và thiết kế hệ thống chiếu sáng, kiểm tra và đo các thông số nguồn sáng, sử dụng các hệ laser, nghiên cứu và phát triển hệ thống thông tin quang, thiết bị dùng đèn LED…), sinh viên Vật lý kỹ thuật sẽ được tham gia nghiên cứu về hướng tiên tiến nhất về ngành pin quang điện ứng dụng cho hiện tại và trong tương lai. Cụ thể:
Tìm kiếm giải pháp để Pin perovskite trở thành hiện thực
Các tấm pin mặt trời Silicon đơn tinh thể—chiếm khoảng 90 phần trăm trong những tấm pin quang điện đang được sử dụng-hiện vẫn là các sản phẩm đắt đỏ trên thị trường, bên cạnh đó hiệu suất của các tấm pin mặt trời silic cũng đã đạt đến giới hạn chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng. Vì vậy, Michael Saliba(1), Giáo sư nghiên cứu tại Viện Công nghệ Swiss Federal (Lausanne), đã đưa ra nghiên cứu về một loại pin mặt trời mới dựa trên họ vật liệu perovskite. Pin mặt trời perovskite (perovskite solar cells) dầu tiên được đưa ra năm 2009 đã cho thấy tiềm năng về một loại pin mặt trời mới vừa rẻ hơn, vừa dễ dàng xử lý về mặt công nghệ hơn. Nhưng những tấm pin perovskite đầu tiên chỉ cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng đạt 4%.
Saliba đã cải thiện hiệu suất bằng cách thêm các ion dương vào các tấm pin perovskite. Với giải pháp này, ông đã giúp những tấm pin năng lượng này có hiệu suất cao hơn, vượt qua giới hạn hiện nay là 21% và có khả năng tăng hiệu suất chuyển đổi lên cao hơn nữa [1].
Đánh giá tính ổn định cho Pin mặt trời perovskite
Cải thiện khả năng làm việc ổn định trong thời gian dài của pin perovskite là điều kiện quyết định cho việc đưa công nghệ pin perovskite này vào sử dụng trong thực tế — đây là chủ đề của một bài báo đăng trên tạp chí nổi tiếng Nature Energy bởi một nhóm nghiên cứu trong đó GS. Michael Saliba là một thành viên. Pin mặt trời perovskite được coi là niềm hi vọng lớn nhất cho ngành công nghiệp pin mặt trời khi mà pin mặt trời silic đã đạt đến giới hạn của nó.
Trong 10 năm trở lại đây, vật liệu perovskite được biết đến với như là một vật liệu triển vọng làm pin mặt trời thay cho vật liệu silic. Ưu điểm của vật liệu perovskite là giá thành thấp, các vật liệu thành phần phong phú trong tự nhiên và công nghệ xử lý không quá đắt đỏ – chỉ ngang với các kỹ thuật được sử dụng để in báo hiện nay. Điều này đã thu hút được sự quan tâm lớn từ các cộng đồng nghiên cứu khác nhau, từ đó mà perovskite được gọi là “vật liệu phi thường/kì diệu”. Gần đây, đã có nghiên cứu cho thấy pin mặt trời dựa trên vật liệu perovskite cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao ngang với hiệu suất mà các công nghệ thương mại hiện nay phải mất hàng thập kỷ tối ưu hóa mới đạt được. Do vậy, pin perovskite hứa hẹn là một nguồn vật năng lượng tái tạo phát sinh lượng khí thải các-bon thấp.
Một trong các vấn đề của công nghệ vật liệu perovskite là liệu nó có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài khi sử dụng ngoài môi trường thực tế như các công nghệ đang sử dụng hiện nay không. Các công nghệ sử dụng hiện nay có làm việc ổn định trong điều kiện ngoài trời mà không bị giảm thiểu phẩm chất trong hàng thập kỷ. Các nghiên cứu lý thuyết hiện nay cho thấy pin perovskite có thể đạt được sự ổn định khi làm việc với hiệu suất cao nhất trong thời gian dài. Mặt khác, nghiên cứu về perovskite hiện nay vẫn còn tương đối trẻ do đó chưa xây dựng được một chuẩn về nghiên cứu tính ổn định. Tuy nhiên, để sớm có được sản phẩm pin perovskite thương mại, thì các thông số về già hóa của pin phải được sớm tìm ra và từ đó có thể ngoại suy sự suy giảm phẩm chất khi làm việc trong thời gian dài hạn.
Thách thức này đã được giải quyết trong một công bố gần đây trên tạp chí Nature Energy. 59 nhà nghiên cứu hàng đầu từ 51 tổ chức khắp nơi trên thế giới đã hợp tác và thống nhất với nhau trong việc xây dựng một chuẩn thống nhất cho các phép đo và nghiên cứu trong tương lai. Trong số các đồng tác giả có GS. Michael Saliba, người đứng đầu nhóm nghiên cứu về quang tử (Opto) tại Bộ môn Khoa học Vật liệu và Khoa học Địa cầu, Đại học Technische Darmstadt, và cũng là trưởng nhóm của nhóm các nhà nghiên cứu trẻ tại Forschungszentrum Jülich.
“Những năm tới đây, chúng ta sẽ chứng kiến những chuyển biến đột phá trong việc biến các kết quả nghiên cứu hàn lâm trở thành nguồn năng lượng sạch, tiết kiệm và bền vững” – GS. Michael Saliba khẳng định, “Việc hợp tác nghiên cứu như chúng ta đang làm là cực kì quan trọng trong việc xây dựng các mô hình làm việc ổn định của pin perovskite và đưa sự phát triển của pin perovskite lên lên một tầm cao mới.” [2]
(1) GS. Michael Saliba (Đại học Technische Darmstadt) là 1 trong 35 nhà nghiên cứu dưới 35 tuổi đóng góp vào sự đổi mới của nền khoa học công nghệ thế giới do tạp chí MIT technology review bình chọn.
Tham khảo:
[1] https://www.technologyreview.com/lists/innovators-under-35/2017/inventor/michael-saliba
[2] https://techxplore.com/news/2020-01-stability-perovskite-photovoltaics.html
Vũ Tiến Lâm (dịch), Nguyễn Công Tú (hiệu đính)
English