Pin mặt trời dẻo, nhẹ như tấm phim, mở rộng khả năng ứng dụng trên bề mặt cong

Loại pin mỏng, nhẹ và có khả năng uốn cong như tờ giấy vừa đạt hiệu suất kỷ lục gần 27%, mở ra viễn cảnh “dán” năng lượng sạch lên mái ô tô, ba lô hay bất kỳ bề mặt nào.

Vì sao pin dẻo khó chế tạo?

Pin mặt trời truyền thống thường sử dụng các tấm nền cứng, thường chỉ có thể gắn cố định trên mái nhà hoặc trang trại điện mặt trời.

Trong khi đó, pin mặt trời perovskite dẻo có ưu điểm nhẹ, mỏng và có thể uốn cong. Đặc tính này giúp công nghệ có tiềm năng mở rộng sang những ứng dụng đòi hỏi vật liệu linh hoạt như mái ô tô, thiết bị đeo, ba lô, công trình có bề mặt cong hoặc các thiết bị di động.

Nhưng làm ra pin dẻo hiệu suất cao không hề đơn giản. Để chế tạo, các nhà khoa học phải phủ đồng thời 2 lớp vật liệu lên một bề mặt có thể uốn cong: một lớp phân tử tự lắp ráp (SAM) và một lớp perovskite.

Vấn đề nằm ở chỗ 2 lớp này có xu hướng tương tác với nhau quá sớm, trước khi kịp hình thành đúng vị trí. Kết quả là lớp phủ không đồng đều, xuất hiện nhiều khuyết điểm và pin nhanh xuống cấp khi hoạt động trong môi trường nhiệt độ, độ ẩm cao.

Đây chính là rào cản lớn nhất khiến pin perovskite dẻo dù đầy tiềm năng nhưng vẫn khó thương mại hóa.

Nhóm nghiên cứu do Đại học Đông Nam và Đại học Tô Châu (Trung Quốc) dẫn đầu đã tìm ra cách giải quyết. Họ bổ sung một loại phân tử đặc biệt vào dung dịch chế tạo pin. Phân tử này đóng vai trò “người hòa giải”, ngăn các thành phần của hai lớp tương tác không mong muốn, giúp chúng hình thành những lớp riêng biệt và ổn định hơn.

Pin mặt trời perovskite dẻo có thể uốn cong, phù hợp với những ứng dụng cần vật liệu nhẹ và linh hoạt. Ảnh minh họa: Interesting Engineering

Cách tiếp cận được nhóm nghiên cứu gọi là “đồng lắng đọng phân tách” (decoupled co-deposition).

Theo Đại học Đông Nam, phương pháp này giúp lớp SAM liên kết hiệu quả hơn với bề mặt nền, trong khi phân tử điều biến kiểm soát quá trình phát triển tinh thể perovskite. Nhờ đó, hai lớp vật liệu được tối ưu đồng thời, cải thiện chất lượng màng và hiệu suất hoạt động của thiết bị.

Hiệu suất đạt gần 27% ở tế bào nhỏ

Ở kích thước nhỏ, pin dẻo đạt hiệu suất 26,86%, tức cứ 100 phần ánh sáng chiếu vào thì chuyển được gần 27 phần thành điện – cao nhất từng ghi nhận cho loại pin này.

Khi mở rộng kích thước, hiệu suất giảm nhưng vẫn ở mức đáng nể: tấm 55cm đạt 22,31%, tấm 1010cm đạt 20,63%, và tấm lớn 3030cm đạt 20,15%. Theo nhóm nghiên cứu, đây đều là những kỷ lục đối với các kích thước tương ứng.

Không chỉ tạo ra nhiều điện hơn, pin còn bền hơn. Trong một thử nghiệm, tấm pin dẻo diện tích 25cm2 với hiệu suất ban đầu 22% vẫn duy trì được 92,5% hiệu suất sau 1.044 giờ hoạt động ở nhiệt độ 85C và độ ẩm tương đối 65%.

Đây là điều kiện khắc nghiệt, tương đương với môi trường ngoài trời khô nóng ở nhiều khu vực.

Các tấm pin cũng vượt qua những bài kiểm tra thay đổi nhiệt độ khắc nghiệt và đáp ứng bộ tiêu chuẩn độ ổn định quốc tế IEC 63163, tiêu chuẩn dành cho module quang điện dẻo di động.

Theo nhóm nghiên cứu, việc đáp ứng tiêu chuẩn này tạo nền tảng quan trọng để đưa pin mặt trời perovskite dẻo từ phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp.

Hướng tới sản xuất pin bằng quy trình in liên tục

Điều đáng chú ý không chỉ nằm ở con số hiệu suất. Trước đây, nhiều kỷ lục về pin perovskite dẻo chỉ đạt được trên những mẫu thử rất nhỏ trong phòng thí nghiệm, đủ để ghi nhận thành tích nhưng khó áp dụng ra thực tế.

Lần này, nhóm nghiên cứu đã chứng minh công nghệ vẫn hoạt động tốt khi phóng to lên thành những tấm module lớn hơn nhiều. Điều đó đưa công nghệ này tiến gần hơn đến cách sản xuất công nghiệp: in pin lên các cuộn vật liệu dẻo, giống như in báo, thay vì làm từng tấm nhỏ.

Thời gian tới, các nhà khoa học sẽ tiếp tục cải thiện vật liệu, ghép thêm nhiều lớp pin để hấp thụ được nhiều ánh sáng hơn và hoàn thiện quy trình sản xuất liên tục trên cuộn dẻo.

Mục tiêu cuối cùng là biến loại pin này từ thành tựu trong phòng thí nghiệm thành sản phẩm có thể sản xuất hàng loạt với chi phí hợp lý.

Nếu thành công, pin mặt trời dẻo có thể được sản xuất với chi phí thấp hơn, phù hợp với những vị trí cần vật liệu nhẹ, linh hoạt và khó lắp đặt các tấm pin cứng truyền thống.

Pin perovskite dẻo được xem là một trong những hướng đi triển vọng nhất của ngành năng lượng mặt trời. Vật liệu perovskite có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh, chi phí sản xuất thấp hơn silicon, có thể in lên bề mặt dẻo. Tuy nhiên, độ ổn định và tuổi thọ vẫn là bài toán lớn.

Nghiên cứu mới của Đại học Đông Nam và Đại học Tô Châu không giải quyết tất cả vấn đề, nhưng nó cho thấy rào cản về hiệu suất và độ bền đang dần được thu hẹp.

Với hiệu suất gần 27% ở tế bào nhỏ và trên 20% ở module lớn, pin perovskite dẻo đang tiến gần hơn đến ngưỡng có thể cạnh tranh với pin silicon truyền thống trong một số ứng dụng đặc thù.

Nếu được thương mại hóa thành công, công nghệ này có thể mở rộng phạm vi ứng dụng của năng lượng mặt trời, từ mái ô tô, ba lô, thiết bị di động đến các công trình có bề mặt cong hoặc tạm thời. Đó là viễn cảnh mà nhiều công ty năng lượng và nhà đầu tư đang chờ đợi.

Nghiên cứu đã được công bố trên Science, một trong những tạp chí khoa học đa ngành hàng đầu và uy tín nhất trên thế giới.