Pin mặt trời là gì? Các công bố khoa học về Pin mặt trời

Để tìm ra giới hạn lý thuyết tối đa cho hiệu suất của các bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời tiếp giáp p-n, một hiệu suất giới hạn, được gọi là giới hạn cân bằng chi tiết của hiệu suất, đã được tính toán cho một trường hợp lý tưởng trong đó cơ chế tái hợp duy nhất của các cặp điện tử - lỗ là phát xạ, như yêu cầu bởi nguyên tắc cân bằng chi tiết. Hiệu suất cũng được tính cho trường hợp mà tái hợp phát xạ chỉ là một phần nhất định fc của tổng tái hợp, phần còn lại là không phát xạ. Hiệu suất tại các tải phù hợp đã được tính toán với khoảng cách vùng năng lượng và fc là các tham số, với giả định rằng ánh sáng mặt trời và tế bào đều là các vật thể đen với nhiệt độ lần lượt là 6000°K và 300°K. Hiệu suất tối đa được tìm thấy là 30% cho khoảng cách năng lượng là 1.1 eV và fc = 1. Các tiếp giáp thực tế không tuân theo mối quan hệ dòng điện - điện áp được dự đoán, và các lý do cho sự khác biệt này cũng như mối liên hệ của nó với hiệu suất được thảo luận.

Pin mặt trời perovskite tốt nhất ngày nay sử dụng một hỗn hợp formamidinium và methylammonium làm cation đơn giá. Việc bổ sung cesium cải thiện đáng kể các thành phần.

Bằng cách áp dụng các điều kiện chế tạo cụ thể được tóm tắt trong phần Thí nghiệm và quá trình ủ sau sản xuất ở 150 °C, pin mặt trời polymer với hiệu suất chuyển đổi năng lượng gần 5 % được chứng minh là có thể đạt được. Các thiết bị này thể hiện sự ổn định nhiệt đáng kể. Chúng tôi coi sự cải thiện hiệu suất là do các thay đổi trong vật liệu liên hợp khối được kích thích bởi quá trình ủ nhiệt. Morfologie nanoscale được cải thiện, độ kết tinh của polymer dẫn điện tăng lên, và sự tiếp xúc tốt hơn với điện cực thu gom electron tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát sinh điện tích, vận chuyển điện tích đến và thu gom điện tích tại các điện cực, từ đó nâng cao hiệu suất của thiết bị bằng cách giảm điện trở dãy của pin mặt trời polymer.

Chúng tôi cho thấy rằng hiệu suất chuyển đổi năng lượng của các thiết bị quang điện hữu cơ dựa trên sự pha trộn polymer liên hợp/methanofullerene bị ảnh hưởng đáng kể bởi hình thái phân tử. Bằng cách cấu trúc sự pha trộn thành một hỗn hợp mật thiết hơn, chứa ít sự phân tách pha của các methanofullerenes, đồng thời tăng cường mức độ tương tác giữa các chuỗi polymer liên hợp, chúng tôi đã chế tạo được một thiết bị với hiệu suất chuyển đổi công suất đạt 2,5% dưới ánh sáng AM1.5. Đây là mức tăng gần gấp ba lần so với các giá trị đã được báo cáo trước đó cho loại thiết bị này, và nó gần đạt được mức yêu cầu cho việc sử dụng thực tiễn của các thiết bị này trong việc thu thập năng lượng từ ánh sáng mặt trời.

Nghiên cứu về pin mặt trời hữu cơ đã phát triển trong vòng 30 năm qua, nhưng đặc biệt trong thập kỷ qua, nó đã thu hút sự quan tâm khoa học và kinh tế do sự gia tăng nhanh chóng về hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Thành tựu này đạt được nhờ việc giới thiệu các vật liệu mới, cải tiến kỹ thuật vật liệu và cấu trúc thiết bị tinh vi hơn. Hiện nay, hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời vượt quá 3% đã được thực hiện với một số khái niệm thiết bị. Mặc dù hiệu suất của các thiết bị hữu cơ dạng màng mỏng này chưa đạt đến mức của các đối thủ vô cơ (η ≈ 10–20%); triển vọng sản xuất rẻ (sử dụng, ví dụ, quy trình cuộn-cuộn) thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị quang điện hữu cơ theo cách năng động. Hai kỹ thuật sản xuất cạnh tranh được sử dụng ngày nay là xử lý dung dịch ướt hoặc bay hơi nhiệt khô của các thành phần hữu cơ. Lĩnh vực pin mặt trời hữu cơ đã hưởng lợi nhiều từ sự phát triển của đi-ốt phát sáng dựa trên công nghệ tương tự, đã gia nhập thị trường gần đây. Chúng tôi xem xét hiện trạng hiện tại của lĩnh vực pin mặt trời hữu cơ và thảo luận về các công nghệ sản xuất khác nhau cũng như nghiên cứu các thông số quan trọng để cải thiện hiệu suất của chúng.

Sự cảm ứng hợp tác giữa các thuốc nhuộm neo silyl và neo carboxyl (ADEKA-1 + LEG4) trong pin mặt trời nhạy sáng đã đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng ánh sáng sang điện năng cao hơn 14% dưới ánh sáng mặt trời.

Phần lớn nghiên cứu về pin năng lượng mặt trời perovskite đã tập trung vào perovskite trihalide chì hữu cơ-vô cơ; trong tài liệu này, chúng tôi trình bày các pin năng lượng mặt trời perovskite CsPbI₃ vô cơ hoạt động lần đầu tiên.

Các phép đo kỹ lưỡng về các hằng số quang học của CH₃NH₃PbI₃ được sử dụng để xác định các tổn thất nhiễu loạn giới hạn trong các tế bào quang điện, cho thấy hiệu suất quang điện (IQE) lên đến 100% và hiệu suất tuyệt vời tại góc tới xiên.

Chúng tôi xem xét các giới hạn cơ bản đối với hiệu suất của pin mặt trời hữu cơ, cũng như các phương thức đã được sử dụng để vượt qua nhiều giới hạn này. Cụ thể, việc sử dụng các tiếp giáp đôi và tiếp giáp hỗn hợp lớn, cùng với các tế bào nối tiếp sử dụng vật liệu có chiều dài khuếch tán exciton cao, sẽ được thảo luận. Chúng tôi chỉ ra rằng trong vài năm qua, sự kết hợp của các chiến lược đã dẫn đến hiệu suất chuyển đổi công suất đạt η_p = 5.7% (dưới bức xạ mặt trời mô phỏng AM 1.5 G tại cường độ 1 mặt trời) cho các tế bào nối tiếp dựa trên vật liệu có trọng lượng phân tử nhỏ, điều này cho thấy rằng hiệu suất còn cao hơn nữa là khả thi. Chúng tôi kết luận bằng việc xem xét hiệu suất chuyển đổi công suất tối thượng mà dự kiến sẽ đạt được từ các pin mặt trời hữu cơ mỏng.

Các pin mặt trời hữu cơ, dựa trên các bộ phim pha trộn polymer/fullerene, đang tiến tới khả năng thương mại nhanh chóng. Trong bài viết này, chúng tôi xem xét tiến trình gần đây về hai vấn đề quan trọng cho các ứng dụng công nghệ: hiệu suất quang điện của thiết bị và công nghệ xử lý cho sản xuất quy mô lớn. Về mặt hiệu suất của thiết bị, chúng tôi xem xét những tiến bộ trong các polymer băng tần thấp, hình thái phim và cấu trúc thiết bị nhằm tăng hiệu suất vượt quá 5%. Tiếp theo, chúng tôi xem xét những tiến bộ gần đây trong việc phát triển các quy trình in dựa trên dung dịch với năng suất cao cho việc chế tạo thiết bị chi phí thấp.