trời trên thế giới và tại Việt Nam
1.4.1. Tình hình nghiên cứu pin mặt trời perovskite trên thế giới
Xét đến thời điểm bắt đầu nghiên cứu của đề tài luận án này (năm 2014) cũng là thời kỳ bùng nổ các nghiên cứu về pin mặt trời perovskite vô cơ-hữu cơ trên thế giới. Dưới đây chúng tơi liệt kê một số nhóm nghiên cứu hàng đầu trên thế giới trong lĩnh vực pin thế hệ mới, cũng là những nhóm đã có các cơng bố sớm nhất về pin mặt trời perovskite vơ cơ-hữu cơ như: nhóm của GS.Michael Grätzel Phịng thí nghiệm của Quang tử và bề mặt tiếp xúc (EPFL), Khoa Hóa và Cơng nghệ Hóa học, Viện Cơng nghệ Liên bang Thụy Sĩ, Lausanne, Thụy Sĩ là nhóm nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực pin mặt trời thế hệ mới. Cùng với cơng trình nghiên cứu linh kiện pin mặt trời perovskite CH3NH3PbI3 đạt hiệu suất lên tới 15% trên tạp chí Nature vào tháng 7/2013 nhóm này đã đặt dấu ấn đầu tiên cho dịng pin perovskite vơ cơ-hữu cơ trên bản đồ hiệu suất các loại pin mặt trời [15]. Nhóm của GS. Henry J. Snaith ở phịng thí nghiệm Clarendon, Đại học Oxford, Anh tập trung nghiên cứu sự hình thành tinh thể cấu trúc perovskite lai hữu cơ - vô cơ ở nhiệt độ thấp, cơ chế và cách khắc phục hiện tượng dị thường của dòng I-V, cải thiện hiệu suất và độ bền của linh kiện [22] [24]. Nhóm nghiên cứu này cũng là tiền thân của công ty Oxford PV, Anh – công ty start-up cho dự án sản xuất thương mại hóa pin mặt trời perovskite hàng đầu hiện nay. Nhóm của GS. Sang Il Seok ở viện nghiên cứu KRICT, Hàn Quốc là nhóm hiện đang giữ kỷ lục chế tạo được pin perovskite vô cơ-hữu cơ có hiệu suất cao nhất được công nhận là 25,2% [104]. Nhóm của GS. Hongwei Han, Trung Quốc dẫn đầu về công nghệ chế tạo pin perovskite vơ cơ-hữu cơ có khả năng thương mại hóa cao với cấu tạo đơn giản không cần lớp truyền lỗ trống HTM bằng phương pháp phủ đi từ dung dịch đạt hiệu suất cao nhất 12,8% với diện tích hoạt động của tế bào linh kiện 10 x 10 cm2, độ bền đạt trên 1000 giờ [96] [57].
Mặc dù pin mặt trời perovskite vơ cơ-hữu cơ có hiệu suất cao đã được ghi
nhận tuy nhiên hầu hết các linh kiện đạt hiệu suất cao mới chỉ có diện tích hoạt động rất nhỏ (chỉ khoảng <1cm2) và được chế tạo trong phịng sạch có kiểm sốt về độ ẩm, khí trơ [105]. Khi thực hiện chế tạo trong điều kiện phòng, với độ ẩm tương đối
cao (trên 70%) thì hiệu suất pin giảm đi nhanh chóng. Hiện cịn rất nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu trên nền vật liệu này chẳng hạn như ảnh hưởng của môi trường độ ẩm, nhiệt độ, thành phần tiền chất, phụ gia và phương pháp chế tạo đến sự hình thành vật liệu, độ bền, độ lặp lại của linh kiện, khả năng tăng diện tích hoạt động của tế bào quang điện mà vẫn giữ được hiệu suất cao, độc tính của chì [102] [41].
1.4.2. Tình hình nghiên cứu vật liệu và pin mặt trời perovskite tại Việt Nam
Vấn đề nghiên cứu và ứng dụng vật liệu Perovskite vô cơ – hữu cơ hiện còn rất mới mẻ ở Việt Nam. Gần đây, đã có một số nhóm thực hiện các nghiên cứu liên quan đến vấn đề này, trong đó, phải kể đến nhóm nghiên cứu của TS. Nguyễn Trần Thuật, Trung tâm Nano và Năng lượng, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đã báo cáo một số kết quả tổng hợp vật liệu Perovskite vô cơ – hữu cơ như CH3NH3PbI3-xBrx [106] hoặc CH3NH3SnBrxCl3-x [107]. Nhóm tác giả cũng đã bước đầu chế tạo được linh kiện pin mặt trời perovskite vô cơ - hữu cơ với cấu trúc Al/TTO/NTO/CH3NH3PbI3/CuSCN/Ag, đạt hiệu suất PCE là 0.007% [108]. Ngoài ra, TS. Nguyễn Đức Cường, Khoa vật lý kỹ thuật và công nghệ nano, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội hợp tác với nhóm GS. Soonil Lee, Trường Đại học Ajou, Hàn Quốc đã nghiên cứu mô phỏng pin mặt trời perovskite CH3NH3PbI3 phẳng [109] [110]. Nhóm của TS. Dương Thanh Tùng, Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã thực hiện nghiên cứu chế tạo màng mỏng perovskite CH3NH3PbI3 cho pin mặt trời perovskite bằng phương pháp phun phủ [111]. Nhìn chung, các cơng trình chủ yếu báo cáo về các nghiên cứu tổng hợp vật liệu perovskite CH3NH3PbI3 và bước đầu ứng dụng trong pin mặt trời perovskite. Số lượng các cơng trình nghiên cứu trong nước nhằm ứng dụng vật liệu Perovskite vô cơ – hữu cơ vốn rất đa dạng, phong phú cho pin mặt trời thế hệ mới vẫn cịn tương đối ít ỏi trong khi khá nhiều vấn đề liên quan đến vật liệu perovskite ứng dụng trong pin mặt trời cần nghiên cứu cấp thiết. Đề tài luận án tập trung nghiên cứu chế tạo và khảo sát các đặc trưng tính chất của các vật liệu perovskite vô cơ – hữu cơ nhằm ứng dụng làm lớp thu năng lượng quang và các vật liệu thích hợp làm điện cực cho linh kiện pin mặt trời perovskite là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn cao.
Kết luận chương 1
1. Các thế hệ pin mặt trời đã được phát triển như là một trong những nguồn cung cấp năng lượng điện tái tạo cấp thiết nhất. Nó có nhiều ưu điểm so với các dạng năng lượng khác như nhiên liệu hóa thạch và dầu mỏ. Đây là một giải pháp thay thế hứa hẹn và phù hợp để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng cao của thế giới. Các nghiên cứu gần đây cho thấy vật liệu Perovskite hữu cơ – vơ cơ halogen bộc lộ nhiều đặc tính lý tưởng để làm vật liệu hấp thụ quang cho pin mặt trời như khả năng hấp thụ cực tốt năng lượng ánh sáng mặt trời, độ rộng vùng cấm có thể điều chỉnh phụ thuộc vào thành phần, độ linh động của cả điện tử (electron) và lỗ trống (hole) cao, thời gian sống của hạt tải cao, độ dài khuyếch tán hạt tải lớn, nguyên liệu giá thành rẻ, kỹ thuật chế tạo đơn giản bằng phương pháp phủ đi từ dung dịch ở nhiệt độ thấp; thậm chí là tại nhiệt độ phòng.
2. Các dạng cấu tạo pin mặt trời perovskite và phân loại các vật liệu được dùng trong pin mặt trời perovskite đã được cập nhật. Nguyên lý hoạt động trong pin mặt trời perovskite và các yếu tố ảnh hưởng như khuyết tật, sự tái hợp tại bề mặt tiếp xúc, độ bền cũng đã được tìm hiểu nguyên nhân và cách khắc phục. Việc hiểu rõ vai trò và ảnh hưởng của các lớp vật liệu này sẽ quyết định đến việc chọn lựa được vật liệu có tính chất phù hợp để chế tạo pin mặt trời perovskite có hiệu suất cao hơn.
3. Việc nghiên cứu sâu hơn cách chế tạo và các tính chất của các vật liệu có cấu trúc perovskite lai hữu cơ – vơ cơ cho phép nâng cao hiểu biết về nhóm vật liệu này. Từ đó có thể cải tiến cơng nghệ chế tạo nhằm hồn thiện cấu trúc của vật liệu để nhận được các tính chất mong muốn, nâng cao hiệu suất, độ bền và hạ giá thành của linh kiện pin mặt trời perovskite.
Chương 2
CHẾ TẠO CÁC VẬT LIỆU CHO PIN MẶT TRỜI PEROVSKITE VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU
Chương 2 trình bày các phương pháp thực nghiệm sử dụng trong luận án, trong đó mơ tả các phương pháp chế tạo vật liệu thu năng lượng quang perovskite vô cơ – hữu cơ và vật liệu truyền điện tử (ETL) cụ thể là TiO2 và ZnO. Các phương pháp chế tạo màng mỏng như: phủ quay, phun phủ, phủ trải, phún xạ, bốc bay nhiệt, in lưới, lắng đọng điện hóa kết hợp thủy nhiệt đã được sử dụng. Các phương pháp nghiên cứu hình thái học (SEM), cấu trúc (XRD, EDX), nghiên cứu các quá trình quang điện tử trong vật liệu bằng các phương pháp quang phổ hấp thụ (UV-VIS) và phương pháp quang huỳnh quang (PL) và các phép đo quang điện hóa.