Pin mặt trời silicon tinh thể vô cơ (Inorganic crystalline silicon solar cells) chiếm hơn 90% thị trường mặc dù những nỗ lực nghiên cứu gần đây đã phát triển các kiến ​​trúc và vật liệu mới như chất hữu cơ và perovskites.

Lý do tại sao hầu hết các pin mặt trời thương mại đang sử dụng silicon tinh thể làm lớp hấp thụ là bởi tính ổn định lâu dài, sự phong phú của silicon, chi phí sản xuất tương đối thấp, khả năng pha tạp bởi các yếu tố khác và lớp thụ động oxit tự nhiên.

Tuy nhiên, bản chất vật lý của silicon tinh thể của các electron trong nguyên tử - mức khoảng cách năng lượng (band gap) - làm cho nó phát xạ ánh sáng kém, hạn chế hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời của nó. Ví dụ, để hấp thụ cùng một lượng ánh sáng mặt trời, pin mặt trời silicon cần vật liệu gấp 1.000 lần so với pin mặt trời perovskites.

Để giảm chi phí cho mỗi watt và cải thiện các thế hệ pin mặt trời trong tương lai, việc giảm độ dày vật liệu hấp thụ hoạt động là một yêu cầu thiết kế chính. Kết quả là vật liệu hai chiều (2D) mới lạ như graphene đã ra đời vì chúng có thể giúp tạo ra pin mặt trời có thiết kế mỏng, nhẹ và linh hoạt hơn.

Do đặc tính vận chuyển điện tử tuyệt vời và tính di động cực cao của chất mang, không chỉ graphene mà cả các vật liệu đơn lớp band-gap một chiều khác như dichalcogenides kim loại chuyển tiếp (TMDCs) và phốt pho đen cũng cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn.

Một đánh giá gần đây về Vật liệu tiên tiến (“Vai trò của graphene và các vật liệu 2D khác trong quang điện mặt trời”) cung cấp một cái nhìn tổng quan toàn diện về quang điện mặt trời dựa trên vật liệu 2D mới nhất hiện nay. Nó mô tả những tiến bộ gần đây về những quang điện mặt trời được chế tạo từ vật liệu graphene, vật liệu gốc graphene và các vật liệu 2D khác bao gồm pin mặt trời dựa trên silicon, và pin mặt trời hữu cơ và perovskite.

Pin mặt trời gốc graphene

Trong phần đầu tiên của đánh giá, các tác giả trình bày vai trò của graphene pha tạp và không pha tạp giống như một điện cực dẫn siêu mỏng ở dạng trong suốt và giống như một lớp liên kết hàng rào Schottky (Schottky barrier junction layer) (bộ thu lỗ) đối với các pin mặt trời gốc silicon. Phần này cũng nói đến graphene (không pha tạp/pha tạp) như là một lớp vận chuyển điện tích/điện cực ở dạng trong suốt cho pin mặt trời hữu cơ và pin mặt trời perovskite. Các tác giả thảo luận chi tiết về vai trò của graphene như các điện cực dẫn trong suốt và như các lớp kết nối (bộ thu lỗ) trong pin mặt trời Si - graphene.

ITO, có vai trò chính như là một điện cực dẫn dạng trong suốt cho pin mặt trời hữu cơ và perovskite và pin mặt trời perovskite. Trong các pin mặt trời hữu cơ này, graphene - do có độ dẫn cao, chức năng làm việc mong muốn và hình thái bề mặt tối ưu - được xem là vật liệu tiềm năng thay thế cho ITO, đồng thời hiệu suất, độ dẫn, tính linh hoạt, độ ổn định với tính sẵn có của vật liệu là cao hơn và chi phí thấp hơn.

Vai trò của vật liệu 2D ngoài graphene đối với các ứng dụng pin mặt trời

Về mặt lý thuyết, cấu trúc một lớp đơn chất TMDC có kích cỡ dưới nano mé có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời nhiều như Si kích cỡ 50 nm hoặc gallium arsenide (GaAs) kích cỡ 15 nm, và do đó có thể tạo ra dòng điện lên tới 4,5 mA cm-2. Vì vậy, các tác giả thảo luận và tính toán hiệu suất tiềm năng của TDMC cho pin mặt trời gốc silicon, pin mặt trời hữu cơ và pin mặt trời perovskite.

Cái nhìn mới về pin mặt trời dị hợp siêu mỏng 2D/2D

Các tác giả chỉ ra rằng “ý tưởng về pin mặt trời 2D có thể không hiệu quả từ quan điểm quang điện, bởi thông thường sẽ sử dụng các vật liệu hoạt tính có độ dày hơn để hấp thụ nhiều ánh sáng mặt trời hơn. Tuy nhiên, điều thú vị là các pin mặt trời 2D này có tiềm năng vượt trội hơn so với hiệu suất của các quang điện thông thường gốc Si và GaAs. Các TMDC có vùng khoảng cách năng lượng (bandgap) quang phổ hấp phụ cận hồng ngoại khả kiến, khiến nó rất lý tưởng cho các ứng dụng pin mặt trời”.

“Hơn nữa, với những chất bán dẫn có vùng cấm năng lượng trực tiếp có độ dày đơn lớp, cho phép hiệu ứng bức xạ cao. Điều này, khi được kết hợp với hệ số hấp thụ cao hơn đáng kể trên mỗi đơn vị độ dày (lớn hơn Si, GaAs và perovskites) giúp nó trở nên phù hợp với các thiết bị quang điện hấp thụ siêu cao. Sự hấp thụ mạnh trong các lớp nguyên tử mỏng có giao diện sắc nét, tinh khiết cho phép công suất vật liệu hoạt động cao nhất trên mỗi gram”.

Thế hệ quang điện 2D tiếp theo

Trong phần cuối của đánh giá này, các khái niệm về thế hệ tiếp của pin mặt trời hạt tải nóng mô hình tầng dựa trên các loại vật liệu 2D và thiết kế tích hợp trên chip các thiết bị hấp thu và lưu trữ năng lượng được đưa ra thảo luận nhằm mang đến một pin mặt trời lý tưởng trong đó toàn bộ năng lượng của bất kỳ hạt photon hấp thụ đều được thu giữ.

Nhóm nghiên cứu cũng trình bày triển vọng phát triển để đáp ứng những thách thức và yêu cầu đối với quang điện 2D thế hệ tiếp theo với chi phí thấp và tốc độ sản xuất cao.

P.T.T (NASATI), theo https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=51821.php, 07/01/2019