Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Các pin mặt trời perovskite (PSC) truyền thống có cấu trúc gồm lớp vận chuyển điện tử nằm dưới lớp hấp thụ ánh sáng perovskite và lớp vận chuyển lỗ trống nằm ở phía trên. Mặc dù cấu hình này mang lại hiệu suất cao trong phòng thí nghiệm, nhưng nó vẫn gặp nhiều trở ngại khi triển khai sản xuất quy mô lớn và duy trì độ ổn định dài hạn. Các pin mặt trời PSC nghịch đảo thực hiện việc hoán đổi vị trí của hai lớp vận chuyển này. Kiến trúc đảo ngược này mang lại tiềm năng chuyển đổi năng lượng cao và rất phù hợp với các phương pháp xử lý bằng dung dịch thích hợp cho sản xuất quy mô lớn, khiến nó trở thành một thiết kế quang điện đầy triển vọng. Bất chấp những ưu điểm này, các pin mặt trời PSC nghịch đảo vẫn bị hạn chế bởi các vấn đề ở phần phía dưới, còn gọi là thiết diện ẩn, nơi lớp perovskite tiếp xúc với lớp vận chuyển lỗ trống. Tại điểm nối ẩn này, các bất thường về cấu trúc vi mô và các khuyết tật điện tử có thể hình thành, làm giảm cả hiệu suất lẫn độ bền theo thời gian.
 

Nguồn: Xiuhong Sun
Cơ chế hoạt động của các hạt mầm tinh thể solvat tại thiết diện bị vùi lấp

Kỹ thuật gieo mầm tinh thể-dung môi để kiểm soát thiết diện

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Năng lượng Sinh học và Sinh học Thanh Đảo (QIBEBT) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã giới thiệu kỹ thuật tiền gieo mầm bằng tinh thể-dung môi (CSV) cho phép kiểm soát chính xác lớp thiết diện đáy quan trọng. Cách tiếp cận của họ hỗ trợ việc phát triển các mô-đun pin mặt trời PSC diện tích lớn với hiệu suất cao. Các phát hiện này đã được công bố trên tạp chí Nature Synthesis vào ngày 27 tháng 2. Quy trình bắt đầu bằng việc lắng đọng các hạt mầm tinh thể halogenua-solvat cấu trúc thấp, được thiết kế đặc biệt với công thức hóa học là PDPbI4·DMSO, lên trên các chất nền đã được biến tính bằng lớp tự lắp ghép đơn phân tử (SAM). Các tinh thể nano CSV này đóng vai trò là khung định hướng cấu trúc cho quá trình phát triển của các tinh thể perovskite sau đó. Các tinh thể nano CSV dạng hình que giúp cải thiện khả năng lan rộng của tiền chất perovskite trên bề mặt lớp SAM, vốn có đặc tính kỵ nước, cho phép tạo ra độ che phủ đồng nhất hơn. Khi quá trình kết tinh diễn ra, các tinh thể nano được lắng đọng trước đó đóng vai trò như nhiều trung tâm tạo mầm, giúp thúc đẩy và định hướng sự hình thành của lớp perovskite.

Quá trình ủ dung môi bị giới hạn trong mạng tinh thể giúp tăng cường độ ổn định

Một yếu tố then chốt của chiến lược này liên quan đến các phân tử dimethyl sulfoxide (DMSO) được tích hợp bên trong cấu trúc tinh thể CSV. Trong quá trình ủ nhiệt, các phân tử DMSO này được giải phóng dần dần, tạo ra môi trường mà các nhà nghiên cứu gọi là “quá trình ủ dung môi bị giới hạn trong mạng tinh thể” tại thiết diện đáy. Môi trường dung môi cục bộ này thúc đẩy sự tái sắp xếp và phát triển của các hạt kết hợp cùng quá trình kết tinh có mầm định hướng để tạo ra một lớp màng đồng nhất và ổn định hơn. Tiến sĩ Xiuhong Sun, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi đã phát triển một phương pháp tích hợp giúp giải quyết đồng thời việc điều tiết quá trình kết tinh và ổn định hóa thiết diện”. Chiến lược này mang lại hiệu suất ưu việt ngay cả tại các thiết diện nằm sâu bên trong, vốn là những vị trí cực kỳ khó kiểm soát một cách chính xác.

Các mô-đun mặt trời diện tích lớn hiệu suất cao

Bằng cách giảm thiểu các khoảng trống tại thiết diện và làm phẳng các rãnh ranh giới hạt, phương pháp này tạo ra một vùng có mật độ cao và định hướng cao bên trong màng perovskite (gọi là "lớp đáy" perovskite). Sự cải thiện về mặt cấu trúc này dẫn đến các đặc tính điện tử được tăng cường và khả năng chống chịu tốt hơn trước các yếu tố gây ra bởi nhiệt và ánh sáng. Các nhà nghiên cứu cũng đã kết hợp phương pháp tiền gieo mầm CSV với quy trình phủ rảnh để chế tạo một mô-đun năng lượng mặt trời perovskite cỡ nhỏ với diện tích khẩu độ 49,91 cm2. Thiết bị này đã đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng lên 23,15%. Sự suy giảm hiệu suất khi mở rộng quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm sang mô-đun lớn hơn là dưới 3%, một kết quả vượt trội hơn so với nhiều nghiên cứu đã được báo cáo trước đây. Công nghệ này đã khắc phục được nút thắt cổ chai về khả năng mở rộng do hiệu ứng kích thước gây ra thông qua sự kết hợp giữa quá trình kết tinh cảm ứng và phục hồi thiết diện bị vùi lấp. Giáo sư Shuping Pang cho biết: “Ngoài ứng dụng trực tiếp trong lĩnh vực quang điện perovskite, khái niệm tiền gieo mầm tinh thể-dung môi đã thiết lập một nền tảng vật liệu đa năng: Bằng cách điều chỉnh các cation hữu cơ và phân tử dung môi, một hệ thống đa dạng các vật liệu CSV có thể được thiết kế, mở ra một mô hình mới cho kỹ thuật giao diện trong quang điện perovskite và các thiết bị quang điện tử bán dẫn mạng tinh thể mềm khác"
 
Nguồn: Chinese Academy of Sciences Headquarters. "New crystal seeding method boosts perovskite solar cell efficiency to 23%." ScienceDaily. ScienceDaily, 1 March 2026. <www.sciencedaily.com/releases/2026/03/260301190354.htm>.