Trong khi pin mặt trời hữu cơ (OSCs) từ lâu được xem là tiềm năng lớn cho năng lượng tái tạo, thì việc chúng phụ thuộc vào các vật liệu đắt đỏ và phức tạp đã cản trở khả năng thương mại hóa.
Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Trịnh Châu (Zhengzhou University) vừa tạo ra đột phá quan trọng: phát triển một loại polymer mới có giá thành thấp nhưng mang lại hiệu suất chuyển đổi điện năng cao kỷ lục 19,96%. Thành tựu này không chỉ đặt nền móng cho một tương lai năng lượng bền vững hơn mà còn có thể làm thay đổi toàn bộ cục diện ngành công nghiệp quang điện hữu cơ.
Dưới sự dẫn dắt của Giáo sư Chenkai Sun, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công hai loại polymer mới mang tên PTQ14 và PTQ15, trong đó PTQ15 nổi bật nhờ hiệu quả và tính kinh tế vượt trội. Với cấu trúc chứa nhóm trifluoromethyl (CF ₃ ), vật liệu này không chỉ tăng cường khả năng hoạt động quang điện mà còn giúp đơn giản hóa quá trình tổng hợp, giảm đáng kể số bước phản ứng và tăng hiệu suất sản xuất lên tới hơn 80%.
Đáng chú ý, chi phí sản xuất PTQ15 chỉ khoảng 35.528 USD/kg, thấp hơn gấp 5 đến 6 lần so với các polymer hiệu suất cao đang được sử dụng phổ biến như PM6 (205.725 USD/kg) hay D18 (211.432 USD/kg). Nhờ đó, PTQ15 không chỉ vượt trội về chi phí mà còn giúp nâng cao hiệu quả năng lượng, ổn định trong điều kiện không khí và phù hợp với quy trình sản xuất quy mô lớn.
Sự kết hợp giữa PTQ15 và các vật liệu nhận K1/K6 đã cho kết quả ngoài mong đợi: hiệu suất chuyển đổi năng lượng đạt tới 19,96%, con số cao nhất từng ghi nhận cho một loại pin mặt trời hữu cơ sử dụng vật liệu giá rẻ. Ngoài ra, các tế bào quang điện này cũng ghi nhận thời gian chuyển giao điện tích siêu nhanh, chỉ 1,40 picosecond, nhanh hơn nhiều lần so với các thiết kế hiện tại. Mức tổn thất năng lượng phi bức xạ chỉ còn 0,190 eV, chứng tỏ đặc tính vật lý cực kỳ ưu việt.
Một điểm quan trọng cho khả năng ứng dụng công nghiệp là các thiết bị sử dụng PTQ15 vẫn giữ hiệu suất cao đến 19,37% ngay cả khi được sản xuất trong điều kiện không khí với độ ẩm tương đối 25%. Khả năng hoạt động ổn định ngoài phòng sạch chứng tỏ rằng công nghệ này hoàn toàn có thể mở rộng ra sản xuất hàng loạt với chi phí hợp lý.
Theo tính toán của nhóm nghiên cứu, mức giá bền vững tối thiểu cho loại pin mặt trời hữu cơ này chỉ khoảng 0,36 USD mỗi watt, mức thấp nhất từng được báo cáo đối với công nghệ quang điện hữu cơ, đưa nó trở thành đối thủ đáng gờm với các công nghệ truyền thống như silicon.
Hiện tại, nhóm nghiên cứu, với sự hợp tác từ Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Vũ Hán, đang tập trung tinh chỉnh công nghệ để vượt qua cột mốc hiệu suất 20%. Nếu thành công, điều này có thể mở ra kỷ nguyên mới cho điện mặt trời hữu cơ: sạch hơn, rẻ hơn, và dễ sản xuất hơn bao giờ hết.
nlpanh (T/h)
