Pin mặt trời hữu cơ siêu mỏng vừa hiệu quả lại vừa bền

Ảnh minh họa.

Sử dụng một quá trinh xử lý ủ bằng thùng đơn giản, họ đã tạo ra một tấm pin hữu cơ mềm chỉ bị giảm hiệu suất đi 5% sau 3.000 giờ trong điều kiện khí quyển và đồng thời đạt tỉ lệ chuyển đổi năng lượng – một chỉ dấu chính của hiệu suất pin năng lượng mặt trời – là 13%.

 

Quang điện hữu cơ được coi là một giải pháp hứa hẹn cho các màng thông thường chứa silicon, vốn thân thiện với môi trường và giá thành nguyên liệu rẻ để có thể sản xuất hàng loạt. Các tấm pin mặt trời siêu mỏng và mềm đặc biệt thu hút sự chú ý vì chúng có thể cung cấp một lượng công suất điện lớn so với khối lượng và được sử dụng trên một phạm vi ứng dụng rất rộng như các thiết bị điện tử đeo trên người, cảm biến hay robot mềm. Các màng hữu cơ siêu mỏng có xu hướng chuyển đổi năng lượng không thật sự hiệu quả, tỉ lệ chuyển đổi năng lượng khoảng 10 đến 12 %, thấp hơn so với pin bằng silicon  - vốn đạt hiệu suất cao nhất 25%, hoặc pin hữu cơ cứng – khoảng 17%. Các màng siêu mỏng có xu hướng giảm hiệu suất nhanh chóng dưới ánh nắng mặt trời, nhiệt và oxygen. Do đó các nhà nghiên cứu đang cố gắng tạo ra các màng siêu mỏng vừa hiệu quả lại vừa bền nhưng thường xuyên thất bại vì đây là mục tiêu khó thực hiện.

 

Trong nghiên cứu xuất bản trên Proceedings of the National Academy of Sciences, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc chứng minh một màng siêu mỏng lại có thể đạt cùng lúc hai tiêu chí này. Họ bắt đầu với một polymer bán dẫn cho lớp donor, do Toray Industries, Inc. phát triển và được thực nghiệm với một ý tưởng mới, sử dung một chất nhận phi fullerene để tăng thêm tính bền nhiệt. Trên  cùng, họ thử nghiệm với một quá trình ủ trong thùng đơn giản, nơi vật liệu được gia nhiệt đến 150 độ C sau một pha xử lý nhiệt ban đầu ở mức 90 độ C. Bước này chứng tỏ góp phần tăng độ bền của thiết bị bằng việc tạo ra một giao diện ổn định giữa các lớp.

 

Theo tiến sĩ Kenjiro Fukuda, một trong những tác giả của nghiên cứu, “bằng việc kết hợp một lớp thế hệ mới với một cách xử lý đơn giản, chúng tôi đã đạt được cả hiệu quả chuyển đổi năng lượng cao và tính bền trong thời gian dài với pin mặt trời hữu cơ siêu mỏng. Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy các pin mặt trời hữu cơ siêu mỏng này có thể hữu dụng theo cách bền vững hơn trong suốt một thời kỳ dài và có thể tồn tại trong những điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ và độ ẩm cao. Tôi rất hi vọng nghiên cứu này có thể góp phần vào việc phát triển các thiết bị với nguồn điện lâu dài và có thể tích hợp trong những thiết bị điện tử đeo trên người như cảm biến để gắn vào quần áo”.

 

Nghiên cứu “Highly efficient organic photovoltaics with enhanced stability through the formation of doping-induced stable interfaces” do các nhà nghiên cứu ở Viện RIKEN dẫn dắt và thực hiện với sự hợp tác của các nhà nghiên cứu ở trường đại học Tokyo, đại học California ở Santa Barbara và đại học Monash.