Hình 1.9. Một số cấu trúc pin mặt trời perovskite thông dụng bao gồm: (a) dạng thuận xốp (n-i-p-mesoscopic), (b) dạng thuận phẳng (n-i-p-planar), (c) dạng đảo phẳng (p-i-n-planar) và (d) dạng đảo xốp (p-i-n-mesoscopic) [41].
Một trong những cấu trúc phổ biến nhất của các pin mặt trời perovskite là pin mặt trời perovskite thuận (n-i-p) dạng xốp và dạng phẳng (Hình 1.9 a và b), tức là cấu hình pin cho phép tiếp nhận ánh sáng tới từ phía điện cực anot trong suốt thông qua lớp ETL [41].. Cấu hình này là bắt nguồn từ các nghiên cứu kế thừa từ pin mặt trời DSSCs trạng thái rắn [16]. Vì các cấu trúc pin mặt trời
perovskite vốn bắt nguồn từ DSSCs, nên không có gì ngạc nhiên khi chúng thường sử dụng lớp ETL TiO2 [42], [43]. Hình thái học của lớp xốp ETL ảnh hưởng đến sự tán xạ ánh sáng và khả năng tẩm phủ chất perovskite lên trên, điều này sẽ ảnh hưởng đến dòng điện ngắn mạch (Jsc) [44]. Sự tiêm vào và chuyển dời điện tích không giống nhau trên các loại hình thái học TiO2 khác nhau, tương quan với hiệu suất của thiết bị thông qua sự biến đổi của điện áp mạch mở (Voc) và hệ số điền đầy (FF) [45] [46]. Ngoài ra, vật liệu composite TiO2 đã được đưa vào các pin mặt trời perovskite, ví dụ như Graphene-TiO2 composite đã được kết hợp với nhau để tạo ra các lớp ETL hiệu quả do đó nâng cao hiệu suất đáng kể tới trên 15 % [47]. Hơn nữa, tinh thể nano TiO2 tích hợp với các thành phần kim loại khác hay sử dụng hiệu ứng plasmonic cũng đã được chứng minh có cải tiến về hiệu suất của thiết bị được cho là do trạng thái bề mặt của TiO2 tốt hơn, hình thái chất hấp thụ perovskite được cải thiện và việc tăng cường trao đổi điện tử qua toàn bộ lớp mesoporous [48] [49].
Kẽm oxide (ZnO) đã được chứng minh là một lựa chọn khả thi thay thế cho TiO2 đối với các pin mặt trời perovskite do mức năng lượng tương đương và các đặc tính vận chuyển điện tử tốt hơn. Tuy nhiên, cũng đáng lưu ý là các vấn đề tái tổ hợp hạt tải nằm ở mặt phân cách giữa perovskite và ZnO được nghi ngờ làm ảnh hưởng đến hiệu quả của thiết bị [50]. PCE ~ 16.08 % đã đạt được trong các thiết bị dựa trên các lớp mesoporous ZnO được chế tạo bằng cách phun tĩnh điện, và có sử dụng thêm lớp thụ động Al2O3 để ngăn cản sự tái hợp hạt tải tại bề mặt tiếp xúc và do đó đã cải thiện Voc và FF. Gần đây, perovskite oxit vô cơ SrTiO3 (STO) đã được sử dụng để làm lớp mesoporous cho thấy hiệu quả chuyển electron từ lớp hấp thụ quang perovskite MAPbI3-xClx sang STO cao hơn và Voc được cải thiện. Điều này cho thấy STO như một ứng cử viên ETL cạnh tranh cho các pin mặt trời perovskite [51]. Do chiều dài khuếch tán hạt tải của perovskite khá lớn, nên các pin mặt trời perovskite cấu trúc phẳng không cần lớp xốp ETL là có triển vọng. Trong cấu trúc này thì lớp xốp vật liệu dẫn điện tử được thay bằng một lớp mỏng xếp chặt vật liệu truyền điện tử, ở đây lớp mỏng ETL SnO2 thường được sử dụng thay cho TiO2 [52]. Gần đây, tạp chí Nature Photonics đã
công bố nghiên cứu đáng chú ý của Qi Jiang và và cộng sự, chỉ với lớp siêu mỏng SnO2 cỡ 40 nm được sử dụng làm ETL trong PSCs cấu trúc phẳng nhóm đã chế tạo được pin mặt trời perovskite đạt hiệu suất cao tới 23,32% [53].
Một dạng cấu hình khác là pin mặt trời perovskite đảo (inverted-PSCs hay p- i-n) gồm dạng đảo phẳng (p-i-n-planar) và dạng đảo xốp (p-i-n-mesoscopic) (Hình 1.9 c và d), tức là cấu hình pin cho phép tiếp nhận ánh sáng tới từ phía điện cực catot trong suốt thông qua lớp HTL. Trong cấu hình này, các bán dẫn loại p, chủ yếu là NiO hoặc PEDOT:PSS cũng có thể được sử dụng để chế tạo các lớp HTL cho pin mặt trời perovskite đảo (inverted-PSCs) [54] [55]. Ưu điểm chủ yếu của cấu trúc pin mặt trời perovskite đảo so với pin mặt trời thuận đó là nó hạn chế được hiện tượng trễ dị thường, đồng thời cải thiện được độ bền của linh kiện. Qua nhiều cải tiến thì cho đến nay, pin mặt trời perovskite đảo đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao nhất là PCE~19,9 % với lớp bán dẫn loại p là CuI (thiourea) được dùng làm lớp vận chuyển lỗ trống [56].
Pin perovskite không dùng HTM (HTM-free PSCs)
Hình 1.10. Pin mặt trời perovskite không dùng HTM (HTM-free PSCs) [57] Một trong những cấu hình có khả năng dễ thương mại hóa nhất, đơn giản và tiết kiệm nhất đó là pin mặt trời perovskite không dùng HTM (HTM-free PSCs) [57]. Trong khi vật liệu perovskite được cho là nguyên liệu rẻ, dễ chế tạo thì đa phần các vật liệu dùng làm lớp truyền lỗ trống như spiro-OMeTAD, P3HT,... lại có giá thành cao, khó chế tạo hơn. Do đó, việc không sử dụng vật
liệu HTM trong cấu hình có thể làm giảm giá thành pin một cách đáng kể. Cơ sở cho việc không dùng lớp HTL chính là do bản chất vật liệu thu năng lượng quang perovskite có tính ưu việt hơn hẳn các loại chất nhuộm màu (DSSCs) hay bán dẫn hữu cơ (OSCs) là nó có độ dài khuếch tán hạt tải dài, có độ linh động hạt tải cao (25 cm2/Vs), tốc độ tái hợp chậm cỡ micro giây [4]. Chính vì vậy, lỗ trống có thể di chuyển nhanh chóng đến điện cực mà không cần tới lớp HTL [26] [58]. Gần đây, pin mặt trời perovskite không dùng HTM (HTM-free PSCs) chế tạo theo phương pháp phủ đi từ dung dịch, in được (printable), có diện tích hoạt động lên tới 10x10 cm2, PCE đạt 10.4 % với cấu tạo FTO/compact-TiO2/(meso- TiO2/meso-ZrO2/meso-carbon)/perovskite, xem hình 1.10 [57]. Độ bền của pin đã vượt qua ngưỡng thử nghiệm 1000 giờ chiếu sáng tương đương với thời gian sử dụng pin đạt trên 1 năm. Điều này đã mở ra khả năng thương mại hóa cho pin mặt trời perovskite giá thành rẻ trong tương lai không xa [57] [59].
Pin perovskite đa lớp (tandem device)
Hình 1.11. Pin mặt trời đa lớp perovskite [60].
Hiệu suất tối đa có thể đạt được của pin mặt trời dựa trên thiết kế cấu trúc đơn lớp (single-junction solar cell) là 33,1 % theo giới hạn Shockley-Queisser [61]. Để cải thiện hơn nữa PCE của thiết bị, người ta thiết kế song song nhiều lớp hấp thụ xếp chồng lên nhau theo chiều ngang để có thể hấp thụ quang phổ mặt
trời được nhiều hơn và kết quả mang lại PCE cao hơn [62]. Hiệu suất lý thuyết dự kiến cho một tế bào năng lượng mặt trời kết hợp đôi là khoảng 42 %. Đối với cấu trúc pin mặt trời 2 lớp đơn giản nhất, hai phân lớp hấp thụ quang được xếp chồng lên nhau hoặc nối liền nhau. Tùy thuộc vào phương pháp kết nối điện giữa hai phân lớp này mà cấu trúc linh kiện pin mặt trời 2 lớp có thể được phân loại là 4 đầu cuối (4-terminal) hoặc 2 đầu cuối (2-terminal) (Hình 1.11) [60]. Các công nghệ năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay (ví dụ silicon, CIGS, II-V) có thể đạt được hiệu năng cao hơn bằng cách xếp chồng thêm một chất hấp thụ perovskite lên trên thiết bị hiện tại [63], [64].
Pin mặt trời perovskite dẻo (flexible PSCs)
Hình 1.12. Pin mặt trờiperovskite dẻo (flexible PSCs) [65].
Các nghiên cứu cho thấy vật liệu perovskite với khả năng chế tạo theo phương pháp phủ đi từ dung dịch ở nhiệt độ thấp là rất phù hợp cho việc ứng dụng trên pin perovskite dẻo (flexible PSCs). Tiềm năng tạo ra các pin mặt trời perovskite có trọng lượng siêu nhẹ và linh hoạt là một trong những kỳ vọng của giới khoa học. Martin Kaltenbrunner và cộng sự đã chế tạo được một loại pin perovskite dẻo (flexible PSCs) siêu mỏng cỡ 3 µm, có hiệu suất đạt 12 % và năng lượng trên khối lượng cao 23 Wg-1, xem hình 1.12 [65].