TÀN SITU
2021
GIẢI PHÁP & CÔNG NGHỆ XANHPhát triển thành công vật liệu mới
thân thiện với môi trường làm pin mặt trời
TS. ĐÀO QUANG DUY
~-^ừng Đại học Khoa học Tựnhiên, Đại học Quốc giaHà Nội
Trong những năm gần đây, con người đã có những bước tiến vĩ đại trong khoa học và công nghệ. Nếu giả sử một người chìm vào giấc ngủ sâu vào thê kỷ 12 và thức dậyvào thê kỷ 15, cuộc sống của nguởí đó vê Cữbản sẽ không có quá nhiều thay đổi, tuy nhiên, nếu một người chìm vào giấc ngủ vào thế kỷ 17 và thức dậy vào thê kỳ 20, thì phải choáng ngợp vói những tòa nhà cao tầng, “con trâu sắt” chạy trên đường, “con chim sắt” bay ỉưọn ừên bầu ừòỉ, cùng với những thiết bị thông minh mà ngay cả những người dùng thời hiện tại cũng chua chắc đã hiểu hết được nguyên lý hoạt động của chúng.
hữngthành tựu khoa học công nghệ tronghaithế kỷ gần đây là vượt trộiso với các thànhtựu khoa họccông nghệ mà loài người đã làmđược trong thòiđại trước íó. Khinhữngchiếctúinhựa đầu tiênđượcra đời,con người đã nghĩ tới một sản phẩm đóng góinhẹvà dễ mang đi. Tại thờiđiểm túi nhựa cònđượccoi là giải pháp thay thế cho loại túi giấy,quađó giúp hạn chếviệc sử dụng nguồn gỗ tự nhiên.Tuy nhiên, hiệntại,túi nhựa lại ưở thành vấnđề nhức nhối trong môi trường, vì chúng cần tới hàng trăm năm dưới ánh sáng mặttrời đểtựtiêu hủy. Tươngtự như vậy, những phát minh về độngcơ sửdụng nguồn nhiên liệu hóa thạch đã là động lực tolớncho sự pháttriển củacon người, nhưngchúng cũng Làmộtnguồn gây ônhiễm môi trường. Những nhà máynhiệt điện,động cơ đốt trong ở các Thiết bị giao thông vẫn hàng ngày thải ra các hạt bụi mịn gây hại cho sức khỏe conngười.
Hơn nữa, nguồn nhiênliệu hóa thạch là hữu hạn. Vì thế, việc tìm ra mộtnguồn nănglượng sạch mớilà mộtnhucầu cấpbách.
Trên thực tế, có nhiều nguồn năng lượng sạch, tuynhiên, con người còn thiếu hiểu biết để có thể khaithác và biến đổi chúng một cách hiệu quả. Nănglượngtừnhiên liệu hóa thạch trên Trái đấtlà không đángkểkhi so sánh vối ngu ồn năng ìuợng sạchmà mặt tròivẫnphân phát miễn phí tớiTrái đất. Mỗinăm, mặt tròicho khoảng3 tỷ exajun(1 junlànăng lượngcần thiết để nâng một quả táolên Im, 1 exajun là 1 tỷtỷ jun). Toànbộ thực vậttrêntráiđấtgiúpchúng ta giữ lạiđược khoảng 3.000 exajun. Trong khi đó,toànbộ hoạt dộng công nghiệp của con người trong mộtnăm cần khoảng 500 exajun, tương ứng với lượng -tăng lượng mà mặt trời gửi tới chúngtatrong 90 phút.Cóthể nói,conngườiđang bỏ phímột nguồnnăng lượng rất lớn.
Pin mặttrời là một thiết bị quang điện có thể chuyển hóa năng lượng mặt tròi thành nănglượng điện. Khác với nhiệt điện và thủy điện, là nhữngthiết bị chuyểnhóa nhiệt lượng hoặc thế năng thành động năng của máy phát điện, các pin mặt trời hoạtđộng dựa trên sự chuyển mức năng lượng của các hạt tải (điện tử hoặc lỗ trống) thông qua quá trình hấp thụ quang học của các nhân quang điện.Pin mặt tròi đầu tiên đã đượcchế tạo tại phòng thí nghiệm Bell sử dụng các vật liệu tinh thể Silicon vào năm 1954. Sau nhiều thập kỷ phát triển, công nghệ tinh thể Silicon hiện đã chiếm lĩnh thị trường các thiết bị pin mặt tròi, với khoảng90%
thị trường. Phần nhỏcòn lại được phân chia cho các công nghệ mói nổi,sử dụngDSSC (dye-sensitized solar cells), pin mặt trời hữucơ, pin mặt trời sử dụngcác bán dẫn vô định hình, màng mỏng đa tinh thể và sửdụng vật liệu perovskite... Để có thể cạnh tranh được với pin mặt tròi sửdụngcác tinh thể Silicon, nhũng pin mặt tròi thếhệmới phải đồng thời đáp ứng được 3 điều kiệnsau: Hiệu suất pin cao, độ bền của pin tốt và công nghệchế tạođơn giản, rẻ tiền.
Năm 2007, lần đầu tiên pin mặt trời sử dụng vật liệu perovskite đã được công bốtại Hội nghị MRS (Boston - Hoa Kỳ) bỏi GS. Miyasaka (Toin University ofYokohama - Nhật Bản). Trongnhũng thiếtbịđầu tiên của pin mặt trờiđầu tiên sử dụng vật liệuperovskite,GS.
Miyasaka đã sửdụngcác vật liệu lạitạp hữucơ,vô cơcó cấu trúcperovskite (CH3NH3PbI3 và CH3NH3PbBr3) đểsử dụng như nhưng chất nhạy quang trong cấutrúc DSSC. Những pinmặt tròi này sau đó được gọichung là pin mặt trời perovskite để thểhiệncấu trúc của lóp nhân quang điện của thiết bị. Tuy nhiên, nhũng pinmặt tròi của Miyasaka đã sử dụng các chất điện phân lỏng bên trên lớp perovskite, mộtvật liệu vốnrất dễ bị thủyphân. Điều này dẫn đến độ bền thấp và hiệu suất không ổn định của pin mặt tròi perovskite. Chính vì thế, nhũngpin mặt trời perovskite thế hệ này đã không nhận đượcnhiềumối quan tâm của giới khoa học.
“Cơn sốt” perovskite chỉ xuất hiện vào năm 2012, khi lần đầu tiên GS. Snaith đã chế tạo thành công những pin mặt trời perovksite sửdụng các lớp chuyển tiếp lỗ trống dạng rắn thay thế cho lớp điện phân.
Nhưng pin mặt tròi củaSnaith
Tạp chí
SỐ 1/20211 MÔI TRƯỜNG 51
XỊ TÂN SỎ 7
tr'tit -
2021GIẢI PHÁP & CÔNG NGHÊ XANH
đãthể hiện hiệusuấtchuyển đổinănglượng lớn hơn10%thôngquaphươngphápchếtạo rẻ tiền quayphử Sau cú híchnày, một loạt các hướng nghiên cứu lớntrên thếgióiđã tham gia chế tạo pm mặt ười perovskite, tạo ra cơn sốt về việc nghiên cứu chế tạo pin này. Đến nhữngnăm cuối của thập kỷ, các pin mặt tròi perovskite đã đạt đượchiệusuất lớn hơn20%.Trong khi đó, pin mặt trờihữu cơ vàpin DDSC đã tiêu tôn 20 - 30 năm để đạt đượchiệu suất 15%. Chính vì thế,việcđạtđược hiệu suấtcaotrong khoảng thời gian ngắn (khoảng 7-10 năm) thông qua phương pháp chế tạoquayphủ với kinh phí phù hợp là một điều kinh ngạctronggiới chế tạo pin.
Tuynhiên, pin mặttrời perovskite vẫn còn một số tồn tạinhất địnhtrướckhitiến tớithương mạihóa,là độ bềncủapin, độđiện trễ và cách chế tạo những tấm pin perovskite códiện tích lớn.
Trong đó, độ bền của pin vẫnbị hạn chếdo lóp vật liệu lai tạpperovskite dễbị thủy phân, tức chúng rấtkỵ nước. Đặcbiệt, lốp vật liệu chuyển tiếp lô trống(dạng rắn, như Spiro-MeOTAD,PTAA) hiện nay thường có độ dẫn điện thấp, vìvậy, chúng được pha tạp bởimột chấtbán dẫn khácđể tăng độ dẫn(như là LiTFSI). Các chất bán dẫn pha tạp thường có đặc tính hútẩm cao, dẫn đến làmthủy phâncác lớp bán dẫn laitạp perovskite. Chínhvì vậy, việc tìm một chấtchuyển tiếp lỗtrống mói không sử dụng chất bán dẫn phatạplà việc rất cầnthiếtđể nâng caođộ bền của pin. Do đó, tôi và các cộng sự công tác tại TrườngĐại học Khoa học Tựnhiên(Đại học Quốc gia Hà Nội) đã nghiên cứu từ năm 2011, đến nay, mới phát triển thành công vật liệu phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin vớỉ đầy đủ tính chấtphùhọpđểtạothành lớp chuyển tiếp lỗ trống trong pinmặt trời perovskite (pin mặt tròi màng mỏng). Nghiên cứunày mởra hướng phát triển pin perovskite cógiá thànhhợp lý, độ bền caovàkhông ô nhiễm môi trường.
Từ năm 2018, nhóm đã phối họp vói nhóm nghiên cứu của trường Đại học Osaka Nhật Bản đểphát triển vật liệu nguyên tử nhỏ phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin làm vật liệu chuyển tiếp lỗ trống. Những vật liệu này cóđộ linh động hạt tải cao,có thể tan trong nhiềudung môihữucơ,dễ dàngchế tạo bằng phương pháp quayphủ, do đó,phù họp để có thể làmlốp chuyển tiếp lỗ trốngtrongcác pin mặttrời perovskite. Các vậtliệu nàyrấtdễ kết tinh (quađótăng cường độ dẫn) bằng những phương pháp ủ nhiệt đơn giàn. Hiệntại,hai nhóm đã chế tạothành công những pin mặt tròi perovskite sử dụng nguyên tử nhỏ phthalocyanine-tetrabenzoporphyrin
▲ Phthalocyanine-tetrabenzoporphyrinlàmộtloại chât bán dẫn hữu cơ mới có nhiều tínhchấtvậtlý ấn tượng chosự phát triền pin điện mặttrời perovskitegiá rẻ
làm lớp chuyển tiếp lỗ trống.
Các lớp perovskite khi kết họp với những lóp nguyên tử nhỏ phthalocyanine- tetrabenzoporphyrin không phatạp cácchất bán dẫn khác có độ bềnlớngấp 2lóp perovskite kết hợp với lóp chuyển tiếp lỗ trống truyềnthống như PTAA.
Ngoài ra, nhóm đã so sánh hiệusuấtcủa sử dụngcác lóp chuyển tiếp lỗ trống nguyên tử nhỏ phthalocyanine tetrabenzoporphyrin vói các pin sử dụng vật liệu lỗ trống truyền thống và thấy rằng, hiệu suất của 2 loại pin nàylà tương đương nhau (khoảng 15%).
Để chế tạo một pinmặt tròi hiệu suấtcao, tấtcả cáclớp như perovskite, chuyển tiếp điện tử, chuyển tiếp lỗ trống, cấu trúc của pin...phảiđược tối ưuhóa.
Chính vì vậy, những pin đầu tiên có hiệu suất 15%, tuy thấp hơn thếgiới (20%) là chấpnhận được. Hơn nữa,việc các pinmặt trờiperovskite sử dụng vậtliệu nguyên tửnhỏ phthalocyanine- tetrabenzoporphyrin làm lốp chuyển tiếp lỗ trống thể hiện một hiệu suất tương đương vớipin chế tạo cùng điều kiện sửdụng các vật liệu lỗ trống
truyền thống và việc chúng có thể nâng cao độ bền của lớpperovksĩtelà một tínhiệu đáng mừng. Mặc dùhiệusuất chuyển đổi của tấm pin sử dụng vật liệu phthalocyanine- tetrabenzoporphyrin hiện tương đương vói tấm pin silic truyền thống nhưng việc chế tạo vậtliệu mói mang lại những giá trị riêng vìgiá thành chế tạo hợp lý, dễ dàng áp dụng công nghệ và ít tác động tới môi trường vì không cần sử dụng thêm các họp chất phatạp.
Trongthời gian tói, nhóm nghiên cứu sẽtối ưu hóa các lớp vật liệukháctrong pin mặt trời perovskite để nâng cao hiệu suấtcủa pin, qua đó giúp công nghệ sản xuất pin mặt tròi perovskite tiếnthêm một bước trong quá trình thương mại hóa. Hy vọng, việc phát triển loại vật liệu pin năng lượng mặt trời mói tại Việt Nam giúp giảm giá thành, thân thiện vóimôi trường, an toàn cho sức khỏe của người sửdụng và sẽ đạtnhiều thành tựu hơnnữaa
Tạp chí .
52 MÔI TRƯỜNG ISO 1/2021
