Trong các tấm pin mặt trời, đặc biệt là dạng kết hợp (tandem), thường sử dụng vật liệu Perovskite băng rộng (WBG) - chất bán dẫn có khả năng hấp thụ ánh sáng năng lượng cao (ánh sáng xanh) và cho phép ánh sáng năng lượng thấp (ánh sáng đỏ) đi qua. Tuy nhiên, nhược điểm của loại vật liệu này là hiện tượng “phân tách pha” - các thành phần trong vật liệu tách rời theo thời gian khiến hiệu suất giảm sút. Có một cách để khắc phục hiện tượng này là bổ sung rubidi (Rb) để ổn định cấu trúc WBG. Nhưng Rb lại dễ hình thành các pha phụ không mong muốn, làm giảm hiệu quả ổn định của vật liệu này.
Các nhà khoa học thuộc nhóm nghiên cứu của Michael Grätzel tại Đại học Bách khoa liên bang Thụy Sĩ (EPFL) đã tìm ra một cách “ép” Rb ở lại đúng vị trí cần thiết. Bằng cách tận dụng hiện tượng “ép căng mạng tinh thể” - một dạng biến dạng có kiểm soát trong cấu trúc nguyên tử, các nhà khoa học đã giữ được ion Rb trong mạng tinh thể Perovskite, ngăn không cho hình thành pha phụ và từ đó ổn định cấu trúc của vật liệu. Quá trình này được thực hiện thông qua việc điều chỉnh thành phần hóa học kết hợp với chu trình nung - làm mát chính xác. Việc nung nhanh rồi làm nguội từ từ đã tạo ra lực căng cần thiết, giữ Rb ổn định trong cấu trúc và giảm đáng kể tổn thất năng lượng do tái tổ hợp không phát xạ (nguyên nhân chính khiến pin mất năng lượng).
Để xác thực hiệu quả của phương pháp, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ tia X, cộng hưởng từ hạt nhân ở trạng thái rắn và mô phỏng máy tính để quan sát vị trí nguyên tử Rb cũng như phản ứng trong các điều kiện khác nhau. Ngoài ra, họ còn bổ sung ion clorua (Cl-) để làm giảm sự khác biệt kích thước giữa các nguyên tử, giúp phân bố đều hơn và giảm khuyết tật trong vật liệu. Kết quả thu được là cấu trúc mới đạt điện áp mạch hở 1,30 V - tương đương 93,5% giới hạn lý thuyết, một mức thất thoát năng lượng thấp kỷ lục với WBG. Hơn nữa, hiệu suất phát quang cũng tăng, chứng minh ánh sáng mặt trời được chuyển hóa thành điện hiệu quả hơn.
Các nhà khoa học nhấn mạnh, việc giảm tổn thất năng lượng ở pin mặt trời Perovskite sẽ mở đường cho các tấm pin hiệu suất cao và chi phí thấp hơn - đặc biệt quan trọng trong công nghệ pin mặt trời kết hợp với silicon. Bên cạnh đó, nghiên cứu này còn có thể ứng dụng vào các lĩnh vực khác như đèn LED, cảm biến và thiết bị quang điện tử.
Xuân Bình (theo Science Daily)