Phát triển pin mặt trời lai hạn chế rò rỉ chì

Các nhà nghiên cứu tại ĐH Bắc Illinois (NIU) và Phòng Thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) thuộc Bộ Năng lượng Mỹ vừa đăng báo cáo trên tạp chí Nature về bước đột phá tiềm năng trong phát triển pin mặt trời lai perovskite.

Được ví như ngôi sao đang lên trong lĩnh vực năng lượng mặt trời, perovskite có khả năng chuyển đổi ánh sánh thành điện năng. Loại pin này còn đơn giản hơn về sản xuất và rẻ hơn về chi phí, nhưng lại cho hiệu quả tương đương so với pin mặt trời truyền thống làm bằng vật liệu silicon, ít nhất ở quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm.

Tuy nhiên, vẫn còn thách thức trước khi pin mặt trời perovskite trở thành công nghệ cạnh tranh thương mại. Một trong những thách thức hàng đầu là việc sử dụng chì. Hầu hết các loại pin mặt trời lai perovskite có hiệu suất cao đều chứa chì có thể hòa tan trong nước, điều này làm tăng mối lo ngại về khả năng rò rỉ chì từ các tế bào pin hư hỏng.

Hai mẫu pin mặt trời trong phòng thí nghiệm, pin bên phải có màng hấp thụ chì ở mặt sau.

Dưới sự dẫn dắt bởi giáo sư Tao Xu của NIU và nhà khoa học cấp cao Kai Zhu của NREL, một nhóm các nhà khoa học đã phát triển kỹ thuật mới nhằm cách ly lượng chì được dùng để làm pin mặt trời perovskite và giảm thiểu rò rỉ độc hại bằng cách áp dụng màng hấp thụ chì vào mặt trước và mặt sau của pin.

Cụ thể hơn, một màng hấp thụ chì trong suốt được gắn vào lớp kính dẫn ở mặt trước của pin mặt trời. Màng cô lập chứa các nhóm axit photphonic liên kết mạnh với chì nhưng không cản trở việc tế bào pin lưu giữ ánh sáng để chuyển đổi thành điện năng. Trong khi đó, một màng polymer giá thành rẻ hơn được pha trộn với những tác nhân tạo chì dùng trên điện cực kim loại phía sau.

“Vấn đề độc tính chì là một trong những thách thức bước cuối khó chịu nhất trong lĩnh vực pin mặt trời perovskite. Chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi có biện pháp khắc phục rất hứa hẹn cho vấn đề này và nó có thể là công cụ thay đổi cuộc chơi. Trong trường hợp tế bào pin bị hư hỏng, thiết bị của chúng tôi sẽ giữ lấy phần lớn chì, ngăn không cho nó thấm vào nước ngầm và đất. Những tấm màng chúng tôi dùng không tan trong nước”, giáo sư Tao Xu nói.

Đối với các tế bào pin hư hỏng nghiêm trọng được dùng trong phòng thí nghiệm, các màng hấp thụ chì đã cô lập 96% lượng chì rò rỉ. Những lần thí nghiệm sau của nhóm nhà khoa học cho thấy các lớp hấp thụ chì không ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của pin hoặc sự ổn định trong thời gian hoạt động lâu dài.

Lý do pin mặt trời perovskite có tên như vậy là bởi vì nó sử dụng một lớp cấu trúc tinh thể tương tự như cấu trúc được tìm thấy trong một loại khoáng sản gọi là perovskite. Hợp chất cấu trúc perovskite trong loại pin mặt trời này phổ biến nhất là vật liệu halogen hữu cơ lai vô cơ. Các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu cấu trúc tinh thể này để sử dụng trong pin mặt trời chỉ khoảng một thập niên trước. Kết quả cho thấy hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời tăng lên nhanh chóng. Trong khi các pin mặt trời silicon truyền thống được sản xuất với quy trình sử dụng nhiệt độ cao, pin perovskite có thể được làm ra bằng các biện pháp hóa học ở nhiệt độ phòng.

“Cách tiếp cận cô lập chì trên thiết bị” mới được phát triển có thể dễ dàng kết hợp với cấu hình pin mặt trời perovskite hiện tại, giáo sư Tao Xu cho biết.

“Điều đáng chú ý ở đây là phương pháp cô lập chì cũng có thể áp dụng cho các công nghệ dựa trên perovskite khác như ứng dụng cảm biến”, nhà khoa học Kai Zhu nói. 

Thanh Tùng