NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU PEROVSKITE VÔ CƠ – HỮU CƠ ỨNG DỤNG CHO LINH KIỆN PIN MẶT TRỜI LAI
Vật liệu điện tử
Luận án tiến sĩ này tập trung vào nghiên cứu chế tạo và khảo sát đặc trưng của vật liệu perovskite vô cơ – hữu cơ nhằm ứng dụng cho linh kiện pin mặt trời lai. Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng cao và sự cạn kiệt, ô nhiễm từ nhiên liệu hóa thạch, năng lượng mặt trời nổi lên như một giải pháp dồi dào, sạch và an toàn. Tuy nhiên, các công nghệ pin mặt trời hiện tại vẫn còn đắt đỏ và cần trợ giá. Vật liệu perovskite vô cơ – hữu cơ được xem là vật liệu tiềm năng cho pin mặt trời thế hệ mới do có độ hấp thụ quang mạnh trong vùng khả kiến, độ linh động hạt tải cao, thời gian sống hạt tải dài, và độ rộng vùng cấm có thể điều chỉnh. Tuy nhiên, các thách thức về tính kém bền và độc tính của chì (Pb) cần được khắc phục.
Mục tiêu của luận án là tìm ra các giải pháp chế tạo màng mỏng vật liệu perovskite vô cơ – hữu cơ và vật liệu truyền điện tử với tính năng phù hợp, cũng như thiết kế và chế tạo thử nghiệm linh kiện pin mặt trời lai. Nội dung nghiên cứu bao gồm chế tạo và khảo sát các vật liệu perovskite đa dạng như CH3NH3PbI3, perovskite hỗn hợp đa thành phần, perovskite lai 2D/3D, và perovskite kép Cs2SnI6. Đồng thời, luận án cũng nghiên cứu chế tạo các vật liệu truyền điện tử như TiO2 và ZnO với nhiều cấu trúc hình thái khác nhau (màng hạt nano phẳng, xốp, thanh nano). Các linh kiện pin mặt trời perovskite với cấu trúc phẳng, xốp và không dùng vật liệu truyền lỗ trống (HTM-free PSCs) cũng được chế tạo và khảo sát đặc trưng.
Các phương pháp thực nghiệm như bốc bay nhiệt, bốc bay chùm tia điện tử kết hợp xử lý nhiệt được sử dụng để chế tạo màng, và các kỹ thuật như FE-SEM, XRD, EDX, UV-Vis, PL, J-V được dùng để khảo sát tính chất vật liệu và linh kiện. Các kết quả nổi bật của luận án bao gồm việc chế tạo thành công các vật liệu perovskite lai hữu cơ – vô cơ với dải phổ hấp thụ và độ rộng vùng cấm năng lượng phù hợp, có khả năng hấp thụ quang tốt từ vùng khả kiến đến hồng ngoại gần. Luận án cũng thành công trong việc chế tạo các màng mỏng bán dẫn nano TiO2, ZnO và cấu trúc nano kim loại Au để cải thiện hiệu suất pin mặt trời thông qua hiệu ứng plasmonic. Đặc biệt, luận án đã làm chủ quy trình chế tạo và thành công trong việc chế tạo linh kiện pin mặt trời perovskite dạng phẳng, dạng xốp và không dùng lớp vật liệu truyền lỗ trống. Việc sử dụng kỹ thuật ủ nhiệt trong hơi dung môi isopropanol đã giúp kết tinh vật liệu perovskite trên các cấu trúc xốp tốt hơn, dẫn đến tăng hiệu suất chuyển đổi quang-điện của linh kiện pin mặt trời perovskite cấu trúc thuận không dùng lớp vật liệu truyền lỗ trống lên đến 7,69%.