Giải pháp cho hạn chế lâu nay của pin mặt trời màng mỏng

Trong bối cảnh thế giới đang khẩn trương tìm kiếm các giải pháp năng lượng sạch, năng lượng mặt trời nổi bật nhờ sự dồi dào và khả năng mở rộng quy mô so với các nguồn năng lượng tái tạo khác.

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang công nghệ pin mặt trời màng mỏng như một lựa chọn thay thế cho pin mặt trời silicon tinh thể truyền thống, nhờ chi phí sản xuất thấp hơn, khả năng tái tạo tốt hơn và tính ứng dụng linh hoạt trong lĩnh vực điện tử.

Tuy nhiên, loại pin này từ lâu đã gặp phải một hạn chế lớn: Hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp hơn so với lý thuyết, chủ yếu do các vấn đề tại giao diện tiếp xúc sau.

Cụ thể, trong tế bào quang điện màng mỏng sử dụng thiếc monosulfide (SnS) – một vật liệu hấp thụ ánh sáng thân thiện với môi trường và dồi dào – các khiếm khuyết sâu, phản ứng hóa học không mong muốn và sự lan tỏa nguyên tử (như natri) tại lớp tiếp xúc với molypden (Mo) đã cản trở việc thu thập điện tích hiệu quả, dẫn đến mất mát năng lượng và giảm tuổi thọ thiết bị.

Hạn chế này đã tồn tại hàng thập kỷ, khiến pin SnS chỉ đạt hiệu suất khoảng 3-4%, thua xa so với giới hạn lý thuyết lên đến 30%. Các nhà nghiên cứu đã thử nhiều cách để cải thiện, như tối ưu hóa quy trình chế tạo hoặc thêm lớp chắn, nhưng chưa giải quyết triệt để vấn đề.

Gần đây, một bước tiến đột phá đáng kể trong thiết kế pin mặt trời màng mỏng đã xuất hiện.

Ảnh minh họa.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Chonnam (Hàn Quốc), dẫn đầu bởi Giáo sư Jaeyeong Heo và Tiến sĩ Rahul Kumar Yadav, đã phát triển một giải pháp đơn giản nhưng hiệu quả: Chèn một lớp trung gian germanium oxide (GeOx) siêu mỏng chỉ 7 nanomet giữa lớp tiếp xúc molypden và lớp hấp thụ SnS.

Nghiên cứu đã được công bố trên Small – một tạp chí về khoa học nano và công nghệ nano, cung cấp diễn đàn cho các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng liên ngành ở quy mô nano và vi mô.

Giải pháp này tận dụng quá trình lắng đọng vận chuyển hơi (vapor transport deposition) – một phương pháp có thể mở rộng quy mô công nghiệp – để tạo lớp GeOx. Cụ thể, họ lắng đọng một màng germanium (Ge) mỏng lên molypden, sau đó để nó oxy hóa tự nhiên trong quá trình chế tạo ở nhiệt độ cao.

Theo Giáo sư Heo, lớp GeOx này hoạt động như một "lá chắn" đa năng: Ức chế sự hình thành các khiếm khuyết sâu trong SnS, ngăn chặn sự lan tỏa natri từ chất nền thủy tinh, và tránh phản ứng tạo thành lớp molypden disulfide (MoS₂) có điện trở cao.

Kết quả là, hạt SnS trở nên lớn hơn, đồng đều hơn, cải thiện khả năng vận chuyển và thu thập điện tích, đồng thời giảm thiểu mất mát điện.

Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng tăng từ 3,71% ở thiết bị tiêu chuẩn lên 4,81% – một trong những mức cao nhất được ghi nhận cho pin SnS chế tạo bằng phương pháp lắng đọng hơi.

Ý nghĩa của giải pháp này không dừng lại ở pin mặt trời. Lớp GeOx có thể áp dụng cho các giao diện kim loại/bán dẫn khác, như trong linh kiện bán dẫn chủ động (transistor) màng mỏng, thiết bị nhiệt điện, cảm biến, điện tử linh hoạt, cảm biến quang (photodetector) và bộ nhớ.

Điều này mở ra tiềm năng cho thế hệ công nghệ sạch mới, góp phần giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và thúc đẩy chuyển đổi năng lượng toàn cầu. Tuy nhiên, để thương mại hóa, cần tiếp tục tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao hơn và giảm chi phí sản xuất.

Như vậy, giải pháp của các nhà nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Chonnam không chỉ giải quyết hạn chế lâu nay của pin mặt trời màng mỏng mà còn mở đường cho các ứng dụng rộng lớn hơn, khẳng định vai trò của nghiên cứu cơ bản trong cuộc cách mạng năng lượng xanh.

Minh Đức (Theo Renewable Energy Magazine, Electronic Engineering Journal)