Pin mặt trời linh hoạt, trong suốt

Pin mặt trời đang được các nhà nghiên cứu để linh hoạt trong vị trí lắp đặt.

Hãy tưởng tượng một tương lai trong đó pin mặt trời ở xung quanh chúng ta – trên cửa sổ và tường, điện thoại di động, máy tính xách tay, v.v. Một loại pin mặt trời linh hoạt, trong suốt mới được phát triển tại MIT đang đưa tương lai đó đến gần hơn một bước.

Thiết bị kết hợp các vật liệu hữu cơ (chứa carbon) giá rẻ với các điện cực bằng graphene, một vật liệu linh hoạt, trong suốt được làm từ các nguồn carbon dồi dào và rẻ tiền.

Tiến bộ này trong công nghệ năng lượng mặt trời được kích hoạt bởi một phương pháp mới để lắng một lớp graphene dày một nguyên tử vào pin mặt trời – mà không làm hỏng các vật liệu hữu cơ nhạy cảm gần đó.

Cho đến nay, các nhà phát triển pin mặt trời trong suốt thường dựa vào các điện cực đắt tiền, giòn và có xu hướng bị nứt khi thiết bị bị uốn cong. Thay vào đó, khả năng sử dụng graphene đang tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời thực sự linh hoạt, chi phí thấp, trong suốt có thể biến hầu như bất kỳ bề mặt nào thành nguồn điện.

Pin mặt trời quang điện được làm bằng các hợp chất hữu cơ sẽ mang lại nhiều lợi thế hơn so với pin mặt trời silicon vô cơ ngày nay. Chúng sẽ rẻ hơn và dễ sản xuất hơn. Chúng sẽ nhẹ và linh hoạt hơn là nặng, cứng và dễ vỡ, do đó sẽ dễ vận chuyển hơn, kể cả đến những vùng xa xôi không có lưới điện trung tâm. Và chúng có thể minh bạch.

Nhiều vật liệu hữu cơ hấp thụ các thành phần tia cực tím và tia hồng ngoại của ánh sáng mặt trời nhưng truyền phần nhìn thấy được mà mắt chúng ta có thể phát hiện được. Do đó, pin mặt trời hữu cơ có thể được gắn trên các bề mặt xung quanh chúng ta và thu hoạch năng lượng mà chúng ta không nhận thấy chúng.

Các nhà nghiên cứu đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong thập kỷ qua nhằm phát triển các pin mặt trời hữu cơ trong suốt. Nhưng họ đã gặp phải một trở ngại dai dẳng: tìm vật liệu thích hợp cho các điện cực dẫn dòng điện ra khỏi tế bào.

Giáo sư Jing Kong thuộc Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính (EECS) cho biết: “Thật hiếm khi tìm thấy các vật liệu trong tự nhiên vừa dẫn điện vừa trong suốt về mặt quang học .

Lựa chọn được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là oxit thiếc indium (ITO). ITO dẫn điện và trong suốt, nhưng nó cũng cứng và giòn, vì vậy khi pin mặt trời hữu cơ uốn cong, điện cực ITO có xu hướng nứt và nhấc ra. Ngoài ra, indium đắt và tương đối hiếm.

Một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho ITO là graphene, một dạng cacbon xuất hiện ở dạng tấm dày một nguyên tử và có những đặc điểm đáng chú ý. Nó dẫn điện cao, linh hoạt, mạnh mẽ và trong suốt; và nó được làm từ carbon rẻ tiền và phổ biến. Ngoài ra, điện cực graphene có thể chỉ dày 1 nanomet – dày bằng một phần điện cực ITO và phù hợp hơn nhiều với chính pin mặt trời hữu cơ mỏng.

Thách thức Graphene chế tạo pin mặt trời

Hai vấn đề chính đã làm chậm lại việc áp dụng bán buôn điện cực graphene. Vấn đề đầu tiên là đặt các điện cực graphene vào pin mặt trời. Hầu hết các pin mặt trời được xây dựng trên các chất nền như thủy tinh hoặc nhựa.

Điện cực graphene dưới cùng được lắng trực tiếp trên chất nền đó – một nhiệm vụ có thể đạt được bằng các quá trình liên quan đến nước, dung môi và nhiệt. Các lớp khác sau đó được thêm vào, kết thúc bằng điện cực graphene trên cùng. Nhưng việc đặt điện cực trên cùng đó lên bề mặt của cái gọi là lớp vận chuyển lỗ (HTL) là một việc khó.

“HTL hòa tan trong nước và các vật liệu hữu cơ ngay bên dưới nó nhạy cảm với khá nhiều thứ, bao gồm nước, dung môi và nhiệt,” nghiên cứu sinh EECS Yi Song, Nghiên cứu viên năng lượng của Eni-MIT 2016-2017 và là thành viên của Tập đoàn Điện tử và Vật liệu nano của Kong. Kết quả là, các nhà nghiên cứu thường kiên trì sử dụng điện cực ITO ở phía trên.

Vấn đề thứ hai khi sử dụng graphene là hai điện cực cần đóng các vai trò khác nhau. Sự dễ dàng mà một vật liệu nhất định buông ra các electron là một thuộc tính tập hợp được gọi là hàm làm việc của nó. Nhưng trong pin mặt trời, chỉ một trong các điện cực sẽ cho phép các điện tử dễ dàng thoát ra ngoài.

Kết quả là, có cả hai điện cực làm từ graphene sẽ yêu cầu thay đổi chức năng làm việc của một trong số chúng để các electron biết phải đi theo con đường nào – và việc thay đổi chức năng làm việc của bất kỳ vật liệu nào là không đơn giản.

Sự chuyển giao graphene trơn tru

Trong ba năm qua, Kong và Song đã làm việc để giải quyết những vấn đề này. Đầu tiên, họ đã phát triển và tối ưu hóa quy trình đặt điện cực dưới cùng trên chất nền của mình.

Trong quá trình đó, họ phát triển một tấm graphene trên lá đồng. Sau đó, họ chuyển nó lên đế bằng cách sử dụng một kỹ thuật do Kong và các đồng nghiệp của cô chứng minh vào năm 2008. Họ đặt một lớp polyme lên trên tấm graphene để hỗ trợ nó và sau đó sử dụng dung dịch axit để khắc lá đồng ra khỏi mặt sau, kết thúc lên với một chồng graphene-polyme mà chúng chuyển sang nước để rửa.

Sau đó, họ chỉ cần xúc lớp graphene-polymer nổi với chất nền và loại bỏ lớp polymer bằng cách sử dụng nhiệt hoặc rửa bằng axeton. Kết quả: một điện cực graphene nằm trên chất nền.

Nhưng việc loại bỏ điện cực trên cùng ra khỏi nước là không khả thi. Vì vậy, thay vào đó, họ biến chồng polyme graphene nổi thành một loại tem, bằng cách ép một khung cao su silicon dày nửa milimet lên đó.

Dùng nhíp kẹp chặt khung, họ nhấc chồng ra, lau khô và đặt nó xuống phía trên HTL. Sau đó, với sự ấm lên tối thiểu, chúng có thể bóc tem cao su silicon và lớp hỗ trợ polyme, để lại graphene lắng đọng trên HTL.

Ban đầu, các điện cực mà Song và Kong chế tạo bằng quy trình này không hoạt động tốt. Các thử nghiệm cho thấy lớp graphene không bám chặt vào HTL nên dòng điện không thể chạy ra ngoài một cách hiệu quả. Các giải pháp rõ ràng cho vấn đề này sẽ không hoạt động.

Làm nóng cấu trúc đủ để làm cho graphene kết dính sẽ làm hỏng các chất hữu cơ nhạy cảm. Và việc đặt một số loại keo vào dưới cùng của graphene trước khi đặt nó xuống HTL sẽ kết dính hai lớp với nhau, nhưng sẽ kết thúc như một lớp thêm vào giữa chúng, giảm đi chứ không phải tăng tiếp xúc giữa các mặt.

Song quyết định rằng thêm keo vào con tem có thể là cách tốt nhất – nhưng không phải như một lớp dưới graphene.

“Chúng tôi đã nghĩ, điều gì sẽ xảy ra nếu chúng tôi phun loại polyme rất mềm và dính này lên trên graphene?” anh ta nói. “Nó sẽ không tiếp xúc trực tiếp với lớp vận chuyển lỗ, nhưng vì graphene rất mỏng, có lẽ các đặc tính kết dính của nó có thể vẫn còn nguyên vẹn thông qua graphene.”

Để kiểm tra ý tưởng, các nhà nghiên cứu đã kết hợp một lớp ethylene-vinyl acetate, hoặc EVA, vào con tem của họ, ngay trên lớp graphene. Lớp EVA rất dẻo và mỏng – giống như màng bọc thực phẩm – và có thể dễ dàng xé toạc.

Nhưng họ phát hiện ra rằng lớp polyme tiếp theo sẽ giữ nó lại với nhau và sự sắp xếp hoạt động đúng như Song đã hy vọng: Màng EVA bám chặt vào HTL, phù hợp với bất kỳ đặc điểm thô ráp cực nhỏ nào trên bề mặt và buộc lớp graphene mịn bên dưới nó để làm tương tự.

Quá trình này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn mang lại lợi ích phụ không ngờ. Các nhà nghiên cứu nghĩ rằng nhiệm vụ tiếp theo của họ là tìm cách thay đổi chức năng hoạt động của điện cực graphene trên cùng để nó khác với điện cực dưới cùng, đảm bảo dòng điện tử trôi chảy. Nhưng bước đó không cần thiết. Kỹ thuật của họ để đặt graphene trên HTL thực sự thay đổi chức năng làm việc của điện cực thành chính xác những gì họ cần.

Song nói: “Chúng tôi đã may mắn. “Các điện cực trên và dưới của chúng tôi chỉ tình cờ có các chức năng hoạt động chính xác do quá trình chúng tôi sử dụng để tạo ra chúng.”

Các nhà nghiên cứu phát triển một kỹ thuật mới sử dụng graphene để tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời mà chúng có thể gắn trên các bề mặt khác nhau, từ thủy tinh đến nhựa đến giấy và băng.
Đặt các điện cực để kiểm tra

Để xem các điện cực graphene của chúng hoạt động tốt như thế nào trong thực tế, các nhà nghiên cứu cần kết hợp chúng vào các tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ đang hoạt động.

Để thực hiện nhiệm vụ đó, họ đã chuyển sang cơ sở chế tạo và thử nghiệm pin mặt trời của đồng nghiệp Vladimir Bulović , Fariborz Maseeh (1990) Giáo sư Công nghệ mới nổi và Phó Trưởng khoa Sáng tạo của Trường Kỹ thuật.

Để so sánh, họ đã chế tạo một loạt pin mặt trời trên đế thủy tinh cứng với các điện cực làm bằng graphene, ITO và nhôm (một vật liệu điện cực tiêu chuẩn). Mật độ dòng điện (hoặc đĩa CD, lượng dòng điện chạy trên một đơn vị diện tích) và hiệu suất chuyển đổi điện năng (hoặc PCE, phần năng lượng mặt trời đầu vào được chuyển đổi thành điện năng) cho các thiết bị graphene / graphene linh hoạt mới và các thiết bị ITO / graphene cứng tiêu chuẩn có thể so sánh được. Chúng thấp hơn so với các thiết bị có một điện cực nhôm, nhưng đó là một phát hiện mà họ mong đợi.

Kong nói: “Một điện cực nhôm ở phía dưới sẽ phản xạ một phần ánh sáng tới trở lại pin mặt trời, vì vậy thiết bị này có thể hấp thụ nhiều năng lượng của mặt trời hơn so với một thiết bị trong suốt.

PCE cho tất cả các thiết bị graphene / graphene của họ – trên nền thủy tinh cứng cũng như chất nền dẻo – dao động từ 2,8% đến 4,1%. Mặc dù những giá trị đó thấp hơn nhiều so với PCE của các tấm pin mặt trời thương mại hiện có, nhưng chúng là một cải tiến đáng kể so với PCE đã đạt được trong quá trình nghiên cứu trước đó liên quan đến các thiết bị bán trong suốt với các điện cực hoàn toàn bằng graphene, các nhà nghiên cứu cho biết.

Các phép đo về độ trong suốt của các thiết bị graphene / graphene của họ đã mang lại những kết quả đáng khích lệ hơn nữa. Mắt người có thể phát hiện ánh sáng ở bước sóng từ 400 nanomet đến 700 nanomet.

Tất cả các thiết bị graphene cho thấy độ truyền quang 61% trên toàn bộ chế độ nhìn thấy và lên đến 69% ở 550 nanomet. Kong cho biết: “Những giá trị đó [đối với truyền qua] là một trong những giá trị cao nhất đối với pin mặt trời trong suốt với hiệu suất chuyển đổi điện năng tương đương trong tài liệu.

Chất nền linh hoạt, trạng thái uốn cong

Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng pin mặt trời hữu cơ của họ có thể được lắng đọng trên bất kỳ loại bề mặt nào, cứng hay dẻo, trong suốt hoặc không. Kong nói: “Nếu bạn muốn đặt nó lên bề mặt ô tô của mình, nó sẽ không tệ lắm. “Bạn sẽ có thể nhìn xuyên qua những gì ban đầu ở đó.”

Để chứng minh tính linh hoạt đó, họ đã đặt các thiết bị graphene-graphene của mình lên các chất nền dẻo bao gồm nhựa, giấy mờ và băng Kapton trong mờ. Các phép đo cho thấy hiệu suất của các thiết bị gần như bằng nhau trên ba chất nền dẻo – và chỉ thấp hơn một chút so với chất liệu làm trên kính, có thể là do các bề mặt thô hơn nên có nhiều khả năng tiếp xúc kém hơn.

Khả năng đặt pin mặt trời trên bất kỳ bề mặt nào khiến nó có triển vọng được sử dụng trên thiết bị điện tử tiêu dùng – một lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng trên toàn thế giới. Ví dụ, pin mặt trời có thể được chế tạo trực tiếp trên điện thoại di động và máy tính xách tay thay vì được chế tạo riêng lẻ và sau đó được lắp đặt, một thay đổi sẽ giảm đáng kể chi phí sản xuất.

Chúng cũng sẽ rất phù hợp cho các thiết bị trong tương lai như pin mặt trời dạng miếng dán và thiết bị điện tử giấy. Vì những thiết bị đó chắc chắn sẽ bị uốn cong và gấp lại, các nhà nghiên cứu đã đưa các mẫu của họ vào cùng một cách xử lý.

Trong khi tất cả các thiết bị của họ – bao gồm cả những thiết bị có điện cực ITO – có thể được gấp lại nhiều lần, những thiết bị có điện cực graphene có thể bị uốn cong chặt chẽ hơn nhiều trước khi sản lượng của chúng bắt đầu giảm.

Mục tiêu trong tương lai của pin mặt trời mới

Các nhà nghiên cứu hiện đang làm việc để cải thiện hiệu quả của các tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ dựa trên graphene của họ mà không làm mất đi độ trong suốt. (Tăng số lượng khu vực hoạt động sẽ đẩy PCE lên, nhưng độ trong suốt sẽ giảm xuống.) Theo tính toán của họ, PCE lý thuyết tối đa có thể đạt được ở mức độ trong suốt hiện tại của họ là 10%.

Song nói: “PCE tốt nhất của chúng tôi là khoảng 4%, vì vậy chúng tôi vẫn còn một số chặng đường.

Hiện họ cũng đang xem xét cách tốt nhất để mở rộng quy mô pin mặt trời của họ thành các thiết bị có diện tích lớn cần thiết để che toàn bộ cửa sổ và tường, nơi chúng có thể tạo ra năng lượng một cách hiệu quả mà vẫn hầu như không thể nhìn thấy đối với mắt người.

Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi công ty năng lượng Ý Eni SpA thuộc Trung tâm Biên giới Mặt trời Liên minh Eni-MIT. Eni là Thành viên sáng lập của Sáng kiến ​​Năng lượng MIT.