Khi ánh sáng mặt trời chiếu rọi khắp mọi ngóc ngách của Trái đất, nhân loại không ngừng suy ngẫm về cách khai thác món quà vũ trụ này một cách hiệu quả hơn. Pin mặt trời đóng vai trò then chốt trong việc đạt được mục tiêu này. Trong số vô số vật liệu quang điện, một vật liệu mới có tên gọi 'perovskite' đã nổi lên mạnh mẽ trong thập kỷ qua, nhanh chóng trở thành 'vật liệu hiệu suất cao' được săn đón nhất trong ngành công nghiệp năng lượng mặt trời toàn cầu. Khả năng tạo ra một làn sóng công nghệ mới của nó phụ thuộc vào một yếu tố quan trọng: khoảng cách vùng cấm lý thuyết tối ưu là 1.5 eV.

I. Perovskite: Một cái tên nghe có vẻ thô sơ, nhưng lại mang đến hiệu năng tiên tiến.

Đừng để bị đánh lừa bởi cái tên nghe rất giống khoáng chất này. Mặc dù perovskite (CaTiO₃) thực sự là một khoáng chất được phát hiện ở dãy núi Ural vào thế kỷ 19, nhưng thuật ngữ 'perovskite' hiện đang được thảo luận rộng rãi trong cộng đồng quang điện không còn đề cập đến một tinh thể cụ thể nữa. Thay vào đó, nó biểu thị một họ vật liệu có chung khung cấu trúc ABX₃.

Cấu trúc này có thể được hình dung như một hệ thống 'khối xây dựng mô-đun':

• Vị trí A: Các cation lớn (ví dụ: MA, FA, Cs)
• Vị trí B: Các cation kim loại (ví dụ: Pb, Sn)
• Vị trí X: Anion halogenua (ví dụ: I, Br, Cl)

Bất kỳ sự kết hợp nào của các yếu tố này đều tạo ra các khe năng lượng và độ ổn định khác nhau, biến nó thành "sự lắp ráp tự do" trong thế giới vật liệu.

Đặc biệt đáng chú ý là các perovskite lai hữu cơ-vô cơ. Kể từ khi nhóm của Miyasaka lần đầu tiên chứng minh ứng dụng quang điện của chúng vào năm 2009, hiệu suất chuyển đổi đã tăng vọt từ 3.8% lên hơn 26% theo ghi nhận của NREL, với các tế bào ghép nối tiếp vượt qua ngưỡng 30%.

Điều quan trọng là, quy trình chế tạo của chúng nhẹ nhàng, chi phí thấp và đơn giản, không yêu cầu nung kết ở nhiệt độ cao hay các cơ sở siêu sạch, giúp chúng có khả năng ứng dụng công nghiệp cao.

Do đó, chúng được coi là "công nghệ quang điện thế hệ thứ ba" kế thừa từ các tế bào silicon.

II. Tại sao 1.5 eV được gọi là "khoảng cách vùng cấm vàng" cho sự hấp thụ năng lượng mặt trời?

Ánh sáng mặt trời giống như một "thác nước năng lượng ánh sáng" được cấu tạo từ các photon có năng lượng khác nhau. Nhiệm vụ của pin mặt trời là sử dụng các photon này để kích thích các electron và tạo ra dòng điện. Tuy nhiên, nếu khoảng cách vùng cấm nằm ngoài phạm vi tối ưu, năng lượng sẽ bị lãng phí.

Nếu độ rộng vùng cấm quá lớn (> 2 eV):

Ánh sáng đỏ và hồng ngoại thiếu năng lượng cần thiết, xuyên thẳng qua vật liệu và gây ra hiện tượng giảm độ trong suốt.

Nếu khe năng lượng quá hẹp (< 1 eV),

Năng lượng dư thừa từ các photon năng lượng cao sẽ tiêu tán dưới dạng nhiệt, gây ra tổn thất nhiệt.

Cả hai thái cực đều không phải là tối ưu.

Các nhà khoa học đã tính toán về mặt lý thuyết rằng

Khoảng cách vùng cấm xấp xỉ 1.34–1.5 eV tối ưu hóa sự cân bằng giữa hiệu suất hấp thụ và tổn thất nhiệt, tạo thành "điểm tối ưu" lý tưởng cho các tế bào quang điện.

Ở dải năng lượng này, giới hạn trên về mặt lý thuyết của hiệu suất quang điện (Giới hạn Shockley–Queisser) có thể vượt quá 33%.

Đặc tính nổi bật của vật liệu perovskite nằm ở khả năng điều chỉnh khe năng lượng thông qua việc thay thế nguyên tố đơn giản:

Việc thay thế Pb bằng Sn làm giảm khoảng cách vùng cấm.

Việc điều chỉnh halogen (I → Br → Cl) làm tăng khoảng cách vùng cấm.

Việc pha trộn FA/MA/C giúp tinh chỉnh độ ổn định tinh thể và mức năng lượng.

Ví dụ, vật liệu gốc MAPbI₃ có độ rộng vùng cấm khoảng 1.55 eV. Việc thêm Sn hoặc FA dễ dàng điều chỉnh độ rộng vùng cấm này xuống còn 1.35–1.4 eV—gần hơn với giá trị tối ưu về mặt lý thuyết—làm cho cấu trúc vùng cấm của nó gần như được thiết kế riêng cho ánh sáng mặt trời.

III. Perovskite: Vượt xa hiệu quả đáng kinh ngạc, các ứng dụng của nó còn vượt ngoài sức tưởng tượng.

Ưu điểm của perovskite không chỉ nằm ở hiệu quả mà còn ở tính dẻo dai đáng kinh ngạc của nó:

• Nó có thể được tạo hình thành kính năng lượng mặt trời trong suốt.
• Được chế tạo thành màng mỏng linh hoạt để sử dụng cho mặt tiền các tòa nhà.
• Được tích hợp vào các thiết bị đeo và thiết bị điện tử nhỏ gọn.
• Kết hợp với silicon trong các tế bào ghép nối tiếp để khắc phục các nút thắt về hiệu suất.

Đến năm 2025, Trung Quốc đã thành lập khu trình diễn điện xanh đa năng sử dụng vật liệu perovskite đầu tiên trên thế giới. Các viện nghiên cứu lớn tiếp tục phá vỡ các kỷ lục về hiệu suất, báo hiệu sự chuyển đổi nhanh chóng của công nghệ này từ phòng thí nghiệm sang công nghiệp hóa.

Mặc dù tính ổn định, khả năng chống chịu thời tiết và sản xuất quy mô lớn vẫn còn là những thách thức, nhưng không thể phủ nhận rằng perovskite đã trở thành tâm điểm của cuộc cạnh tranh công nghệ năng lượng toàn cầu.

IV. 1.5 eV Mở Ra Cánh Cửa Kỷ Nguyên Mới

Trong tương lai, bạn có thể chứng kiến:

Cửa sổ phát điện trong suốt như kính.

Màng quang điện siêu mỏng, nhẹ như miếng dán.

Vải năng lượng mặt trời dẻo, mềm mại như vải thường.

Mái nhà, tường nhà, và thậm chí cả vỏ thiết bị điện tử đều âm thầm 'hấp thụ ánh sáng để tạo ra năng lượng'.

Những kịch bản tưởng chừng như chỉ có trong khoa học viễn tưởng này đều bắt nguồn từ khe năng lượng 1.5 eV hoàn hảo và những ưu điểm về cấu trúc linh hoạt, có thể điều chỉnh được của vật liệu perovskite.

Cuộc cách mạng quang điện này, được khơi mào bởi "điểm vàng" của khe năng lượng, đã âm thầm bắt đầu giữa làn sóng chuyển đổi năng lượng.