Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia Mỹ (NREL) tuyên bố, pin mặt trời perovskite, cho phép ánh sáng mặt trời chiếu vào cả 2 mặt của mô-dun, sẽ tạo ra năng suất cao hơn với chi phí thấp hơn.
Bản chất kép của pin mặt trời 2 mặt cho phép thu ánh sáng mặt trời trực tiếp ở mặt trước và thu ánh sáng mặt trời phản chiếu ở mặt sau, cho phép thiết bị này có công suất vượt trội so với những thiết bị một mặt perovskite.
Pin mặt trời Perovskites hứa hẹn có tiềm năng ứng dụng cao do chi phí sản xuất thấp và độ mỏng của vật liệu cho phép lắng đọng trên hầu hết các bề mặt. Hiện vẫn còn những thách thức về tính ổn định và tuổi thọ của vật liệu perovskite, nhưng các thử nghiệm đã đạt được những kỷ lục mới về hiệu quả sản xuất trong những năm gần đây.
Những thử nghiệm trước đây của pin mặt trời perovskite 2 mặt gặp nhiều khó khăn để đuổi kịp những tế bào một mặt, hiện có hiệu suất kỷ lục là 26%. Những tế bào pin điện 2 mặt cũng đắt hơn sản xuất so với những tế bào perovskite một mặt. Các nhà khoa học của NREL lưu ý, công nghệ có thể cạnh tranh nếu một tế bào pin điện mặt trời 2 chiều phải có hiệu suất mặt trước gần bằng với tế bào một chiều hoạt động tốt nhất và mặt thứ hai phải có hiệu quả gần bằng 100% so với hiệu quả của chuyển đổi năng lượng mặt trước.
Các nhà khoa học của NREL đã chế tạo được một pin mặt trời perovskite với hiệu suất chuyển đổi ánh sáng từ cả hai phía gần như bằng nhau. Hiệu suất chuyển đổi sáng phía trước đo được trong phòng thí nghiệm đạt trên 23%. Khi chiếu sáng phía sau, hiệu suất đạt được khoảng 91%–93% so với phía trước.
Các nhà nghiên cứu của NREL đã thiết kế pin mặt trời perovskite 2 chiều. Ảnh: NREL
“Tế bào perovskite này có thể hoạt động rất hiệu quả từ cả hai phía,” TS Kai Zhu, nhà khoa học cao cấp tại Trung tâm Hóa học và Khoa học Nano thuộc NREL, tác giả chính của bài báo khoa học mới đăng trên tạp chí Joule cho biết. Các đồng tác giả của ông từ NREL là Qi Jiang, Rosemary Bramante, Paul Ndione, Robert Tirawat và Joseph Berry. Những đồng tác giả khác là các nhà khoa học từ Đại học Toledo.
Trước khi chế tạo tế bào pin điện điện mặt trời, các nhà nghiên cứu đã dựa vào những mô phỏng quang điện để xác định độ dày cần thiết. Lớp perovskite ở mặt trước của tế bào phải đủ dày để hấp thụ hầu hết các photon từ một phần nhất định của quang phổ mặt trời, nhưng một lớp perovskite quá dày có thể chặn các photon. Trên mặt sau của tế bào pin, nhóm NREL phải xác định độ dày lý tưởng của điện cực phía sau nhằm giảm thiểu tổn thất điện trở.
Theo ông Zhu, những mô phỏng máy tính đã hướng dẫn thiết kế của tế bào hai chiều và nếu không có sự hỗ trợ đó, các nhà nghiên cứu sẽ phải sản xuất thử nghiệm một số lượng lớn tế bào pin điện để xác định độ dày lý tưởng. Nhóm nghiên cứu xác định được, độ dày lý tưởng cho một lớp perovskite là khoảng 850 nanomet. Để so sánh, một sợi tóc của con người xấp xỉ 70.000 nanomet.
Thí nghiệm đánh giá hiệu quả đạt được bằng phương pháp chiếu sáng hai mặt, các nhà nghiên cứu đặt tế bào vào giữa hai thiết bị mô phỏng năng lượng mặt trời. Ánh sáng trực tiếp chiếu vào mặt trước, mặt sau nhận được ánh sáng phản chiếu. Hiệu quả của tế bào tăng lên khi tỷ lệ ánh sáng phản xạ với ánh sáng chiếu trực diện phía trước tăng lên.
Mặc dù các nhà nghiên cứu ước tính, mô-đun năng lượng mặt trời perovskite hai mặt sẽ tốn nhiều chi phí sản xuất hơn so với mô-đun một mặt, nhưng theo thời gian, các mô-đun hai mặt sẽ trở thành khoản đầu tư tài chính tốt hơn vì thiết bị tạo ra nhiều điện năng hơn 10%–20%.
Sơ đồ mô tả hiệu suất của pin điện mặt trời peroskites hai mặt. Ảnh NREL
Albedo, hoặc hệ số phản xạ của bề mặt bên dưới pin mặt trời, tác động đến đầu ra của perovskite ở mặt sau. Công suất đầu ra hai chiều của pin đo được ở mức 28,5 mW trên mỗi cm vuông với hệ số Albedo là 0,3 và 30,1 mW trên mỗi cm vuông với Albedo là 0,5.
Nghiên cứu được Văn phòng Công nghệ Năng lượng Mặt trời của Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ.