Việc khám phá ra những vật liệu tiềm năng dùng trong sản xuất và lưu trữ năng lượng là một trong những thách thức lớn của thế kỉ này. Trong bối cảnh đó, năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng do năng lượng này trải rộng và ít ảnh hưởng tới môi trường. Ngành công nghiệp chế tạo pin mặt trời đã có những bước tiến đáng kể như hiệu suất pin ngày càng tăng, pin mỏng hơn, dễ uốn dẻo hơn, mở ra một tương lai thường được miêu tả trong các bộ phim viễn tưởng nơi pin mặt trời được ứng dụng trong mọi lĩnh vực của đời sống. Trong số các loại pin mặt trời đang được nghiên cứu, có một loại pin chỉ vừa mới được các nhà khoa học để ý đến trong mấy năm gần đây nhưng đã tạo ra bước đột phá hứa hẹn sẽ trở thành mũi nhọn trong nghiên cứu pin mặt trời, đó là pin perovskite. Perovskite là tên của một loại cấu trúc tinh thể dạng ABX₃ (được phát hiện lần đầu tiên trong hợp chất CaTiO₃), A đại diện cho các gốc hữu cơ như CH₃NH₃⁺, C₂H₅NH₃⁺, HC(NH₂)₂⁺; B là Pb²⁺, Sn²⁺ hoặc Cu²⁺ và X là các gốc halogen như Cl⁻, Br⁻, I⁻ .

Giống như nhiều loại vật liệu, pin perovskite cũng được nghiên cứu thử nghiệm ở các điều kiện và thiết bị khác nhau, từ đó đem lại những phát hiện đáng kinh ngạc cho các nhà khoa học. Tại sao lại như vậy?

Vật liệu perovskite đang được nghiên cứu có tên đầy đủ là Perovskite hữu cơ vô cơ halogen, một loại perovskite có nhiều tính chất đặc biệt. Đầu tiên phải kể đến khả năng điều chỉnh độ rộng vùng cấm của vật liệu này (vùng cấm là một khái niệm quan trọng trong nghiên cứu chất bán dẫn, biểu thị khả năng dẫn điện của chất, vùng cấm càng hẹp thì chất dẫn điện càng tốt. Vùng cấm điều chỉnh được khiến cho chất trở nên linh hoạt hơn, có thể dẫn điện trong một số điều kiện, cách điện hoặc chuyển thành bán dẫn trong những điều kiện khác). Đặc điểm hệ số hấp thụ cao, phổ hấp thụ rộng cùng số lượng hạt tải điện nhiều và sống lâu hơn hẳn các chất khác giúp pin perovskite đạt hiệu suất chuyển hóa năng lượng khá cao (tính đến thời điểm này là hơn 20%). Khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời của pin đang tăng cả về lượng và chất, kể từ thời điểm đầu tiên, khi pin perovskite mới chỉ đạt hiệu suất 3,8% cho tới nay.

Biểu đồ biểu diễn hiệu suất các thế hệ pin mặt trời trong nhiều gian đoạn nghiên cứu và phát triển. (Nguồn: Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo Mỹ NREL https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png)

Pin perovskite đang dần trở thành ngôi sao trong dòng pin mặt trời do sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật như nguồn khoáng vật phong phú, dễ chế tạo bằng nguyên liệu rẻ tiền ở nhiệt độ thấp, màng mỏng được chế tạo ra có giá trị cấu trúc tương đương với những loại pin silic đắt tiền được chế tạo cầu kì. Hơn nữa, những tấm phim sử dụng vật liệu này mỏng và linh động hơn dòng pin silic nên có thể dùng để chế tạo các thiết bị nhẹ, có thể uốn cong và những tấm pin mặt trời nhiều màu sắc với độ trong khác nhau.

Dưới đây là một số ứng dụng của pin mặt trời perovskite vô cơ hữu cơ halogen:

Các tấm pin perovskite với các màu sắc và độ trong khác nhau mở ra nhiều hướng ứng dụng mới cho pin mặt trời. (Nguồn: http://www.greencarcongress.com/2014/09/20140926-epfl.html)

Thiết bị phân tách nước thành hydro và oxi sử dụng pin perovskite (Nguồn: Nature Energy 1, Article number: 16048 (2016)

Các tấm pin mặt trời cung cấp điện năng cho cả gia đình  (Nguồn: https://modernize.com/wp-content/uploads/2016/08/solar-panels-1024x931.jpg)

Nguyễn Lâm Hà (tổng hợp)

Tổng hợp từ các nguồn

[1] Fatih Dogan, Focus on properties and applications of perovskites, Sci. Technol. Adv. Mater. 16 (2015) 020301 (1pp).

[2] Wei Zhang, Metal halide perovskites for energy applications, Nature Energy 1, Article number: 16048 (2016).

[3] Jingshan Luo, Water photolysis at 12.3% efficiency via perovskite photovoltaics and Earth-abundant catalysts, Science 345 (6204) (2014), 1593-1596.

[4] Sivaram, Varun, To Succeed, Solar Perovskites Need to Escape the Ivory Tower, Jun 2015. Council on Foreign Relations. Mar 2017.