Pin mặt trời Perovskite đã phát triển trong những năm gần đây với hiệu suất chuyển đổi năng lượng tăng nhanh (từ 3% năm 2006 lên 25.5% ngày nay), khiến chúng trở nên cạnh tranh hơn với các tế bào quang điện dựa trên silicon. Tuy nhiên, vẫn còn một số thách thức trước khi chúng có thể trở thành một thương mại cạnh tranh. công nghệ.
Giờ đây, một nhóm nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật NYU Tandon đã phát triển một quy trình để giải quyết một trong số chúng, một nút thắt cổ chai trong một bước quan trọng liên quan đến pha tạp loại p của các vật liệu vận chuyển lỗ hữu cơ trong tế bào quang điện. Nghiên cứu, “CO2 pha tạp các lớp xen kẽ hữu cơ cho pin mặt trời perovskite, ”xuất hiện trong Thiên nhiên.
Hiện tại, quá trình pha tạp p, đạt được bằng cách xâm nhập và khuếch tán oxy vào lớp vận chuyển lỗ, tốn nhiều thời gian (vài giờ đến một ngày), khiến cho việc sản xuất hàng loạt pin mặt trời perovskite thương mại là không thực tế.
Nhóm Tandon, dẫn đầu bởi André D. Taylor, một phó giáo sư và Jaemin Kong, một phó tiến sĩ, cùng với Miguel Modestino, trợ lý giáo sư — tất cả đều thuộc Khoa Hóa học và Kỹ thuật Phân tử - đã phát hiện ra một phương pháp làm tăng đáng kể tốc độ của bước quan trọng này thông qua việc sử dụng carbon dioxide (CO2) thay vì oxy.
Trong pin mặt trời perovskite, các chất bán dẫn hữu cơ pha tạp thường được yêu cầu làm lớp xen kẽ chiết điện tích nằm giữa lớp perovskite quang hoạt và các điện cực. Phương pháp thông thường để pha tạp các lớp xen kẽ này bao gồm việc bổ sung lithium bis (trifluoromethane) sulfonimide (LiTFSI), một muối lithium, vào spiro-OMeTAD, một chất hữu cơ liên hợp π Semiconductor được sử dụng rộng rãi để làm vật liệu vận chuyển lỗ trong pin mặt trời perovskite. Quá trình pha tạp sau đó được bắt đầu bằng cách cho màng hỗn hợp spiro-OMeTAD: LiTFSI tiếp xúc với không khí và ánh sáng.
Phương pháp này không chỉ tốn thời gian mà còn phụ thuộc phần lớn vào điều kiện môi trường xung quanh. Ngược lại, Taylor và nhóm của ông đã báo cáo một phương pháp doping nhanh chóng và có thể tái tạo được liên quan đến việc tạo bọt dung dịch spiro-OMeTAD: LiTFSI với CO2 dưới ánh sáng tia cực tím. Họ phát hiện ra rằng quy trình của họ tăng cường nhanh chóng độ dẫn điện của lớp xen kẽ lên 100 lần so với độ dẫn điện của màng hỗn hợp nguyên sinh, cũng cao hơn khoảng 10 lần so với độ dẫn điện thu được từ quá trình sủi bọt oxy. CO2 màng được xử lý cũng tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời perovskite ổn định, hiệu suất cao mà không cần bất kỳ xử lý nào sau xử lý.
Kong, tác giả chính giải thích: “Bên cạnh việc rút ngắn thời gian chế tạo và chế tạo thiết bị, việc ứng dụng spiro-OMeTAD pha tạp sẵn trong pin mặt trời perovskite làm cho các tế bào ổn định hơn nhiều. “Một phần là do hầu hết các ion liti bất lợi trong dung dịch spiro-OMeTAD: LiTFSI được ổn định dưới dạng các cacbonat liti trong quá trình CO2 quá trình sủi bọt. ”
Ông nói thêm rằng các cacbonat lithium cuối cùng sẽ được lọc ra khi các nhà điều tra quay dung dịch pha tạp trước lên lớp perovskite. “Do đó, chúng tôi có thể thu được các vật liệu hữu cơ có pha tạp chất khá tinh khiết cho các lớp vận chuyển lỗ hiệu quả.”
Nhóm nghiên cứu, bao gồm các nhà nghiên cứu từ Samsung, Đại học Yale, Viện Nghiên cứu Công nghệ Hóa học Hàn Quốc, Trung tâm Sau đại học của Đại học Thành phố, Đại học Wonkwang và Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju cũng phát hiện ra rằng CO2 Phương pháp pha tạp có thể được sử dụng để pha tạp loại p của các polyme liên hợp π khác, chẳng hạn như PTAA, MEH-PPV, P3HT và PBDB-T. Theo Taylor, các nhà nghiên cứu đang tìm cách đẩy ranh giới vượt ra ngoài các chất bán dẫn hữu cơ điển hình được sử dụng cho pin mặt trời.
“Chúng tôi tin rằng khả năng ứng dụng rộng rãi của CO2 Việc pha tạp vào các phân tử hữu cơ liên hợp π khác nhau kích thích nghiên cứu từ pin mặt trời hữu cơ đến điốt phát quang hữu cơ (OLED) và bóng bán dẫn hiệu ứng trường hữu cơ (OFET), thậm chí đến các thiết bị nhiệt điện đều yêu cầu pha tạp chất bán dẫn hữu cơ có kiểm soát, ”Taylor giải thích , nói thêm rằng vì quá trình này tiêu thụ một lượng CO khá lớn2 khí, nó cũng có thể được coi là CO2 các nghiên cứu thu nhận và cô lập trong tương lai.
“Vào thời điểm mà các chính phủ và các công ty hiện nay đang tìm cách giảm lượng khí CO2 phát thải nếu không phải để khử cacbon, nghiên cứu này cung cấp một con đường để phản ứng với một lượng lớn CO2 trong lithium cacbonat để cải thiện các tế bào năng lượng mặt trời thế hệ tiếp theo, đồng thời loại bỏ khí nhà kính này khỏi bầu khí quyển, ”ông giải thích và nói thêm rằng ý tưởng cho phương pháp mới này là một cái nhìn trực quan từ nghiên cứu pin của nhóm.
“Từ lịch sử lâu dài làm việc với pin lithium-oxy / không khí, chúng tôi biết rằng sự hình thành lithium cacbonat khi tiếp xúc với điện cực oxy với không khí là một thách thức lớn vì nó làm cạn kiệt các ion lithium trong pin, phá hủy dung lượng pin. Tuy nhiên, trong phản ứng pha tạp spiro này, chúng tôi thực sự đang khai thác sự hình thành lithium cacbonat, liên kết với lithium và ngăn không cho nó trở thành các ion di động có hại cho sự ổn định lâu dài của perovskite pin mặt trời. Chúng tôi hy vọng rằng CO này2 kỹ thuật pha tạp có thể là một bước đệm để vượt qua những thách thức hiện có trong điện tử hữu cơ và hơn thế nữa. ”