Một nhóm nghiên cứu chung bao gồm Đại học Kyoto, Viện Khoa học Phân tử, RIKEN và Đại học Oxford đã phát triển một phương pháp (phương pháp thụ động hóa) để biến đổi hiệu quả bề mặt của màng mỏng perovskite hỗn hợp thiếc-chì. Pin mặt trời perovskite chứa thiếc đã đạt hiệu suất chuyển đổi quang điện là 22,7% và độ bền cao. Nó được xuất bản trực tuyến trên tạp chí học thuật quốc tế "Advanced Materials" vào ngày 8 tháng 12 năm 2022.
Công nghệ sửa đổi cấu trúc (thụ động hóa) cho bề mặt của lớp perovskite đang được tích cực phát triển nhằm cải thiện hơn nữa hiệu suất của pin mặt trời perovskite, chẳng hạn như cải thiện hiệu suất chuyển đổi quang điện và độ bền. Đặc biệt, chất bán dẫn perovskite hỗn hợp thiếc-chì có độ rộng vùng cấm hẹp (~1,2 eV), có khả năng chuyển đổi quang điện trong vùng bước sóng dài cho đến vùng hồng ngoại gần (~1050 nm) và được cho là có hiệu suất cực cao. hiệu quả.
Cho đến nay, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp độc đáo sử dụng ethylenediammonium diiodine (EDAI2) và glycine hydrochloride (GlyHCl) làm phương pháp sửa đổi cấu trúc bề mặt trên và dưới của màng mỏng bán dẫn perovskite hỗn hợp thiếc-chì và đã đạt được kỷ lục thế giới tại thời gian đó báo cáo hiệu suất chuyển đổi quang điện là 23,6%. Tuy nhiên, các chi tiết về cấu trúc và hiệu ứng điện tử của cơ chế cho phép sửa đổi cấu trúc của bề mặt perovskite vẫn chưa được làm rõ.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phát triển một phương pháp xử lý bề mặt mới bằng cách sử dụng các dẫn xuất axit cacboxylic của diamine và fullerene, đồng thời làm rõ cơ chế và tác dụng hiệp đồng của các quá trình thụ động hóa bề mặt này. Bằng cách xử lý bề mặt của màng mỏng perovskite bằng diamine như piperazine (PP), có thể sửa đổi cấu trúc bằng diammonium thông qua phản ứng chuyển proton trên bề mặt, sau đó sử dụng dẫn xuất axit tricarboxylic fullerene (CPTA). chúng tôi thấy rằng nó có thể phối hợp có chọn lọc với thiếc trên bề mặt của màng mỏng perovskite.
Chúng tôi thực sự đã tạo ra pin mặt trời perovskite với các trang trí bề mặt này và đánh giá các đặc tính của chúng. Khi chỉ xử lý bằng diamine, hiệu suất chuyển đổi quang điện là 20,8% và việc xử lý bề mặt đã cải thiện điện áp mạch hở thêm 40 mV. Mặt khác, người ta cũng phát hiện ra rằng độ trễ lớn vẫn tồn tại trong đường cong J-V. Ngược lại, xử lý bằng dung dịch hỗn hợp CPTA và diamine (PP) đã loại bỏ hiện tượng trễ và cải thiện hơn nữa điện áp mạch hở, dẫn đến hiệu suất chuyển đổi quang điện là 22,7%.
Ngoài ra, pin mặt trời thu được có độ bền cao và các tế bào (yếu tố phát điện) được lưu trữ trong môi trường khí trơ giảm từ 69 đến 83% các đặc tính ban đầu khi chỉ xử lý bằng diamine, trong khi những tế bào có CPTA và CPTA cho thấy độ bền cao. .Các tế bào được xử lý với sự kết hợp của diamine giữ lại 96% đặc tính của chúng sau 2000 giờ. Nó giữ lại 90% đặc tính của nó sau 450 giờ dưới sự chiếu xạ ánh sáng liên tục.
Kết quả của nghiên cứu này có thể được áp dụng không chỉ cho loại hỗn hợp thiếc-chì mà còn cho sự biến đổi bề mặt của chất bán dẫn perovskite dựa trên thiếc. Trong tương lai, người ta hy vọng rằng hiệu suất của pin mặt trời perovskite không chì sẽ được cải thiện hơn nữa. Ngoài ra, kết quả của nghiên cứu này sẽ được chuyển giao cho Enecoat Technology (Kumiyama-cho, tỉnh Kyoto), một công ty liên doanh có nguồn gốc từ Đại học Kyoto. từ liên doanh của Đại học Kyoto).
Perovskite là tên gọi chung của các vật liệu gốm có cấu trúc tinh thể giống với cấu trúc của vật liệu gốm calci titanat (CaTiO3). Tên gọi của perovskite được đặt theo tên của nhà khoáng vật học người Nga L. A. Perovski (1792-1856), người có công nghiên cứu và phát hiện ra vật liệu này ở vùng núi Uran của Nga vào năm 1839.
Cấu trúc và chế tạo perovskite[sửa | sửa mã nguồn]
Cấu trúc perovskit[sửa | sửa mã nguồn]
Công thức phân tử chung của các hợp chất perovskite là ABO3 với A và B là các iôn (cation) có bán kính khác nhau. Ở vị trí của iôn Oxy, có thể là một số nguyên tố khác, nhưng phổ biến nhất vẫn là oxy. Tùy theo nguyên tố ở vị trí B mà có thể phân thành nhiều họ khác nhau, ví dụ như họ manganite khi B = Mn, họ titanat khi B = Ti hay họ cobaltit khi B = Co...
Thông thường, bán kính iôn A lớn hơn so với B. Cấu trúc của perovskite thường là biến thể từ cấu trúc lập phương với các cation A nằm ở đỉnh của hình lập phương, có tâm là cation B. Cation này cũng là tâm của một bát diện tạo ra bởi các anion O. Cấu trúc tinh thể có thể thay đổi từ lập phương sang các dạng khác như trực giao hay trực thoi khi các iôn A hay B bị thay thế bởi các nguyên tố khác mà hình thức giống như việc mạng tinh thể bị bóp méo đi, gọi là méo mạng Jahn-Teller.
Kỹ thuật chế tạo[sửa | sửa mã nguồn]
Do perovskite là một vật liệu gốm nên các chế tạo perovskite phổ biến nhất là kỹ thuật gốm, hay còn gọi là kỹ thuật phản ứng pha rắn. Các nguyên liệu ban đầu là các oxide của các kim loại được nghiền trộn trong thời gian dài để tạo sự đồng nhất, sau đó được ép thành viên và nung thiêu kết ở nhiệt độ cao để tạo ra phản ứng perovskite hóa (phản ứng pha rắn). Phương pháp này có ưu điểm là rẻ tiền, đơn giản, dễ dàng tạo ra vật liệu với khối lượng lớn.
Ngoài ra, perovskite có thể được chế tạo bằng các phương pháp phản ứng hóa học khác nhau ví dụ như phương pháp sol-gel, phương pháp đồng kết tủa, với ưu điểm là cho vật liệu có chất lượng cao nhưng lại hạn chế khả năng tạo vật liệu với khối lượng lớn.
Tính chất và ứng dụng[sửa | sửa mã nguồn]
Ở cấu trúc sơ khai ban đầu (ở vị trí A và B chỉ có 2 nguyên tố) thì perovskite mang tính chất điện môi phản sắt từ. Sự lý thú trong tính chất của perovskite là nó có thể tạo ra rất nhiều tính chất trong một vật liệu ở các nhiệt độ khác nhau .
Tính chất điện[sửa | sửa mã nguồn]
Có nhiều perovskite là các chất sắt điện thể hiện tính chất nhiệt điện trở lớn . Nhờ sự pha tạp, tính chất dẫn điện của perovskite có thể thay đổi từ tính chất điện môi sang tính dẫn kiểu bán dẫn, hoặc thậm chí mang tính dẫn kiểu kim loại, hoặc tính chất điện đặc biệt là trật tự điện tích, trạng thái mà ở đó các hạt tải dẫn bị cô lập bởi các iôn từ tính ,. Ngoài ra, nhiều perovskite có thể mang tính chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao .
Tính chất từ[sửa | sửa mã nguồn]
Thông thường, perovskite mang tính chất phản sắt từ nhưng tính chất này có thể bị biến đổi thành sắt từ nhờ sự pha tạp các nguyên tố khác nhau. Sự pha tạp các nguyên tố dẫn đến việc tạo ra các iôn mang hóa trị khác nhau ở vị trí B, tạo ra cơ chế sinh ra tính sắt từ. Điều đặc biệt là tính chất từ có thể thay đổi trong nhiều trạng thái khác nhau ở cùng một vật liệu . Khi ở trạng thái sắt từ, perovskite có thể tồn tại hiệu ứng từ điện trở siêu khổng lồ , hoặc hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ hoặc trạng thái thủy tinh - spin ở nhiệt độ thấp, trạng thái mà các spin bị tồn tại trong trạng thái hỗn độn và bị đóng băng bởi quá trình làm lạnh .
Các tính chất khác[sửa | sửa mã nguồn]
Bên cạnh các tính chất điện từ, perovskite còn mang nhiều đặc tính hóa học như có tính hấp phụ một số loại khí hoặc tính chất xúc tác hóa học.
Ứng dụng[sửa | sửa mã nguồn]
Do có nhiều đặc tính điện - từ - hóa khác nhau nên perovskite có mặt trong rất nhiều ứng dụng và được coi là một trong những vật liệu rất lý thú. Nhà vật lý người Ấn Độ C. N. R. Rao từng phát biểu rằng perovskite là trái tim của vật lý chất rắn . Với tính chất từ điện trở siêu khổng lồ, perovskite rất hứa hẹn cho các linh kiện spintronics và các cảm biến từ siêu nhạy. Với nhiều tính chất đặc biệt như siêu dẫn nhiệt độ cao, sắt điện... perovskite rất hữu ích cho nhiều linh kiện điện tử. Ngoài ra, perovskite với các tính chất hấp phụ và xúc tác còn được sử dụng trong các pin nhiên liệu.
Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]
- ^ “S. B. Salamon, M. Jaime, The physics of manganites: Structure and transport, Rev. Mod. Phys. 73, 583 - 628 (2001)”. Bản gốc lưu trữ ngày 22 tháng 11 năm 2008. Truy cập ngày 28 tháng 11 năm 2008.
- P.Q. Thanh, B.T. Cong, C.T.A. Xuan, N.H. Luong, Melting of the charge-ordering state by ruthenium doping in Ca0.6Pr0.4Mn1−yRuyO3 (y=0, 0.03, 0.05, 0.07) perovskites, J. Magn. Magn. Mater. 310 (2007) e720-e722.
- C. N. R. Rao, A. K. Cheetham, Charge Ordering in Manganates, Science 276 (1997) 911-912.
- ^ N. Chau, D. H. Cuong, N. D. Tho, H. N. Nhat, N. H. Luong, B. T. Cong, Large positive entropy change in several charge-ordering perovskites, J. Magn. Magn. Mater. 272-276 (2003) 1292-1294.
- D. J. Singh, I. I. Mazin, Magnetism, Spin Fluctuations and Superconductivity in Perovskite Ruthenates, Lecture Notes in Physics 603 (2002) 256-270.[liên kết hỏng]
- M. H. Phan, S. C. Yu, Review of the magnetocaloric effect in manganite materials, J. Magn. Magn. Mater. 308 (2007) 325-340.
- X. L. Wang, J. Horvat, H. K. Liu, A. H. Li and S. X. Dou, Spin glass state in Gd2CoMnO6 perovskite manganite, J. Magn. Magn. Mater. 118 (2001) 27-30. Tejuca, Luis G (1993), Properties and applications of perovskite-type oxides, New York: Dekker, 382, ISBN 0-8247-8786-2.