Đột phá pin mặt trời có khả năng “tự vá” với hiệu suất ấn tượng

Một nghiên cứu mới cho thấy pin mặt trời nhẹ, hiệu suất cao có thể hoạt động bền bỉ trong không gian nhờ lớp bảo vệ ở cấp độ phân tử.

Trong môi trường khắc nghiệt của không gian, các vệ tinh phải đối mặt với sự thay đổi nhiệt độ cực đoan, từ ánh nắng mặt trời nóng bỏng đến bóng tối lạnh giá. Đặc biệt đối với thế hệ tấm pin mặt trời mới, hiện tượng mỏi nhiệt là một thách thức kỹ thuật lớn.

Công nghệ tấm pin mặt trời đang ngày càng được hoàn thiện.

Mặc dù được ưa chuộng nhờ chi phí sản xuất thấp và hiệu suất cao, nhưng pin mặt trời perovskite lại có nhược điểm lớn: dễ bị vỡ do sự giãn nở và co lại không đồng đều khi nhiệt độ thay đổi nhanh chóng.

Giờ đây, một nhóm các nhà hóa học tại Đại học Ludwig Maximilian ở Munich (Đức) đã phát triển phương pháp mới để liên kết các tế bào quang điện ở cấp độ phân tử, tạo ra lớp bảo vệ giúp chúng không bị vỡ trong không gian. Sau 16 chu kỳ nhiệt độ khắc nghiệt, dao động từ -80°C đến +80°C, các tế bào pin này vẫn duy trì được 84% công suất ban đầu, trong khi các tế bào pin tiêu chuẩn thường bị hỏng nhanh hơn.

Phương thức thực hiện

Dưới sự dẫn dắt của Tiến sĩ Erkan Aydin, nhóm nghiên cứu đã phát triển một chiến lược gia cố kép để bảo vệ các tế bào quang điện perovskite khỏi sự biến đổi nhiệt độ khắc nghiệt. Phương pháp này kết hợp hai cách tiếp cận ở cấp độ phân tử, ổn định cả cấu trúc bên trong và các giao diện nơi pin mặt trời tiếp xúc với chất nền.

Chiến lược này sử dụng một loại “keo phân tử tác động kép”, trong đó axit alpha-lipoic được đưa vào lớp perovskite để tạo ra một mạng lưới polymer ngăn ngừa nứt vỡ bên trong. Đồng thời, một phân tử chuyên dụng có nhóm sulfonium được sử dụng để tạo liên kết hóa học mạnh mẽ giữa perovskite và điện cực. Kỹ thuật này hoạt động như một lớp lưới bảo vệ linh hoạt giữ cho các lớp tế bào nguyên vẹn ngay cả khi chúng giãn nở và co lại.

Bí quyết đã giúp mở đường cho pin mặt trời tự vá các vết nứt, ít nhất ở môi trường không gian.

Kết quả nghiên cứu cho thấy, kỹ thuật mạng lưới neo phân tử kép đã giúp tăng hiệu suất của pin mặt trời perovskite lên 26%, đồng thời cải thiện độ bền trong môi trường khắc nghiệt. Qua các thử nghiệm, các tế bào được gia cường này vẫn giữ được 84% công suất, vượt qua hiện tượng giãn nở nhiệt và tách lớp thường phá hủy các vật liệu tương tự trong không gian.

Tiến sĩ Aydin cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy có thể cải thiện độ ổn định cơ học của pin mặt trời perovskite một cách có mục tiêu, từ đó đưa chúng ta tiến gần hơn đến việc ứng dụng thực tiễn công nghệ này”.

Nhóm nghiên cứu hiện đang tập trung vào việc hoàn thiện các tế bào quang điện để “sẵn sàng cho không gian”, từ đó mở đường cho các tấm pin quang điện hiệu suất cao, trọng lượng nhẹ có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ vệ tinh quỹ đạo đến máy bay tầng bình lưu.