Pin mặt trời mới vẫn giữ được hiệu suất 97% sau thử nghiệm chịu bóng râm kéo dài 2.000 giờ

Mô-đun pin mặt trời mini mới được phát triển hoạt động ổn định ngay cả khi bị che khuất bởi lá cây hoặc các vật thể khác. Ảnh: PolyU.

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách khoa Hong Kong (PolyU) vừa phát triển thành công loại pin mặt trời tandem perovskite - hữu cơ mới có khả năng duy trì hiệu suất cao ngay cả khi một phần tấm pin bị che bóng – tình huống vốn là nguyên nhân khiến nhiều công nghệ pin mặt trời hiện nay nhanh xuống cấp.

Kết quả nghiên cứu cho thấy các tế bào quang điện mà nhóm phát triển vẫn giữ được hơn 90% hiệu suất ban đầu sau khi chịu điện áp ngược lên tới -40 V, mức điều kiện khắc nghiệt thường gây hư hỏng nghiêm trọng đối với các loại pin mặt trời màng mỏng truyền thống. Thành tựu này được đánh giá là một bước tiến quan trọng nhằm nâng cao tuổi thọ và độ tin cậy của các hệ thống điện mặt trời trong thực tế.

Những "lỗi ẩn" khiến pin mặt trời nhanh xuống cấp

Các công nghệ pin mặt trời màng mỏng như cadmium telluride (CdTe), đồng indium gallium selenide (CIGS), perovskite hay pin mặt trời hữu cơ (OSC) ngày càng được quan tâm nhờ trọng lượng nhẹ, có thể uốn dẻo và chi phí sản xuất thấp. Tuy nhiên, điểm yếu lớn nhất của chúng là rất nhạy cảm với hiện tượng che bóng cục bộ.

Khi một phần của tấm pin bị bóng cây, công trình hoặc vật thể khác che khuất, các tế bào quang điện ở khu vực đó có thể sinh ra điện áp âm (reverse bias). Trạng thái này khiến vật liệu bên trong chịu ứng suất lớn, làm suy giảm hiệu suất và về lâu dài có thể gây hỏng vĩnh viễn.

Theo nhóm nghiên cứu PolyU, nguyên nhân sâu xa nằm ở các "deep trap states" – những khuyết tật vi mô tồn tại trong lớp vật liệu tạo điện của pin mặt trời hữu cơ. Các khuyết tật này giữ lại điện tích, làm giảm khả năng chuyển đổi năng lượng và khiến tế bào quang điện dễ bị phá hủy khi hoạt động dưới điện áp ngược.

Giáo sư Li Gang, Chủ nhiệm Bộ môn Công nghệ chuyển đổi năng lượng thuộc Khoa Kỹ thuật Điện và Điện tử của PolyU, cho biết nhóm đã đạt được bước tiến quan trọng trong việc cải thiện độ bền của cả pin mặt trời hữu cơ (OSC) lẫn pin tandem perovskite - hữu cơ (POTSC) dưới điều kiện điện áp ngược khắc nghiệt.

Theo ông, nghiên cứu không chỉ nâng cao khả năng vận hành của thiết bị mà còn giúp làm sáng tỏ cơ chế gây hỏng của hai công nghệ pin mặt trời đầy tiềm năng này.

Để khắc phục vấn đề, các nhà khoa học đã điều chỉnh cấu trúc pha trộn giữa vật liệu cho và nhận điện tích trong tế bào quang điện nhằm loại bỏ các cụm vật liệu nhận điện tích bị cô lập – yếu tố tạo ra các khuyết tật sâu.

Nhờ đó, số lượng "deep trap states" giảm đáng kể, giúp các tế bào quang điện mới có thể chịu được điện áp phá hủy vượt -35 V mà không bị tổn hại lâu dài. Đây được xem là mức chịu điện áp ngược cao nhất từng được ghi nhận đối với pin mặt trời hữu cơ, đồng thời thiết lập chuẩn mới về độ bền của công nghệ này.

Lớp pin hữu cơ giúp bảo vệ pin perovskite

Không chỉ cải thiện độ bền của lớp pin hữu cơ, nghiên cứu còn cho thấy cấu trúc mới giúp bảo vệ hiệu quả lớp pin perovskite trong các tế bào tandem n-i-p.

Nhóm nghiên cứu cho biết lớp pin hữu cơ được tối ưu có khả năng ngăn hiện tượng reverse tunneling – dòng điện ngược xuyên qua thiết bị khi bị che bóng, vốn là nguyên nhân chính gây suy giảm hiệu suất và làm hỏng lớp perovskite.

Các thử nghiệm cho thấy ngay cả sau khi chịu điện áp -40 V, pin tandem vẫn duy trì hơn 90% hiệu suất ban đầu.

Độ ổn định dài hạn cũng gây ấn tượng. Sau 12 giờ hoạt động liên tục ở mức -20 V, thiết bị vẫn giữ khoảng 90% hiệu suất. Trong thử nghiệm kéo dài 2.000 giờ (tương đương khoảng 83 ngày) ở mức -4,5 V, pin vẫn duy trì tới 97% hiệu suất ban đầu.

Theo nhóm nghiên cứu, những thông số này vượt trội so với phần lớn các công nghệ pin mặt trời màng mỏng hiện có.

Tiếp nối bước tiến về hiệu suất chuyển đổi năng lượng

Nghiên cứu mới là sự tiếp nối thành công trước đó của PolyU được công bố trên tạp chí Nature Energy năm 2025.

Khi đó, nhóm đã phát triển thành công pin tandem perovskite - hữu cơ đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng 25,9%, trong đó mức 25,1% đã được tổ chức độc lập xác nhận thông qua phương pháp tối ưu hóa tiếp xúc đáy (bottom-contact modulation).

Ở nghiên cứu mới nhất, hiệu suất của thiết bị đã vượt mốc 26%, đồng thời khả năng chống chịu điện áp ngược được cải thiện đáng kể. Điều này đưa công nghệ tiến gần hơn tới việc ứng dụng trong các mô-đun pin mặt trời thương mại quy mô lớn.

Giáo sư Li Gang nhận định khả năng chống chịu hiện tượng che bóng vượt trội đã được chứng minh rõ ràng trên các mô-đun pin mặt trời tandem kích thước lớn, mở ra triển vọng quan trọng cho việc thương mại hóa thế hệ pin mặt trời hiệu suất cao, bền bỉ hơn và phù hợp với các hệ thống năng lượng tái tạo trong tương lai.