Perovskite là một loại khoáng được tìm thấy đầu tiên ở vùng núi Ural, Nga, bởi Gustav Rose vào năm 1839 và được đặt tên theo Lev. A Perovski, người sáng lập Hiệp hội Địa lý Nga.

Perovskite là hợp chất gồm có calcium, titanium và oxygen (CaTiO₃). Cấu trúc perovskite dạng thông thường là ABX_3, là cấu trúc tinh thể giống với cấu trúc khoáng perovskite, trong đó:

-A: một cation hữu cơ methylammonium (CH₃NH₃+) hoặc formamidinium (NH₂CHNH₂+);

-B: một cation vô cơ, thường là chì (II), Pb₂+  hay Sn;

-X₃: một anion halogen, thường là clorua (Cl ^- ), iotua (I ^- ), Bromua (Br^- ) hoặc hỗn hợp.

                                      Cấu trúc tinh thể có dạng ABX3                          Mẫu quặng Perovskite

Tế bào quang điện perovskite (sau đây gọi tắt là pin perovskite) được biết đến năm 2009, khi Tsutomu Miyasaka và các đồng nghiệp ở Nhật Bản lần đầu tiên báo cáo về hợp chất perovskite chì hallogen hữu cơ-vô cơ (organic–inorganic lead halide) được sử dụng làm lớp hấp thụ ánh sáng trong pin mặt trời nhạy sáng (DSSC-Dye-Sensitized Solar Cells). Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi năng lượng khi đó chỉ 3,8%, diện tích hoạt động 0,24 cm² và ổn định trong vài phút.

Khả năng sử dụng năng lượng photon tối đa (hay sự tổn thất năng lượng khi chuyển đổi từ quang năng sang điện năng) được xác định dựa trên tỉ lệ giữa điện áp hở mạch (Voc)/năng lượng vùng cấm (Eg). Các loại tế bào năng lượng mặt trời thông thường có mức sử dụng năng lượng photon 50%, riêng pin perovskite là 70% (BĐ1).

BĐ1: Khả năng sử dụng năng lượng photon tối đa của các loại pin mặt trời

Ghi chú: Voc (Open Circuit Voltage: điện áp hở mạch);  Eg (band gap energy: năng lượng vùng cấm  - năng lượng tối thiểu để kích hoạt các electron ra khỏi trạng thái tĩnh); GaAs (thin film: Gallium Arsenide màng mỏng); Amophous Si (Amorphous Silicon); GaAs (multicrystalline: Gallium Arsenide - đa tinh thể); CIGS (Copper Indium Gallium Selenide); C-Si (Crystalline Silicon); CdTe (Cadmium Telluride); Si (Multicrystalline: Silicon đa tinh thể); OPV (Organic Photovoltaic: pin mặt trời hữu cơ); CZTS (Cu₂ZnSnS₄); CZTSS (Cu₂ZnSn(S,Se)₄; DSSC (Dye-sensitized solar cells: pin mặt trời nhạy sáng).

Nguồn: ossila.com, Perovskites and Perovskite Solar Cells: An Introduction

Nhờ những cải tiến về vật liệu perovskite và công nghệ chế tạo, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin perovskite, theo công bố từ các phòng thí nghiệm, đã cải thiện đáng kể, từ 3,8% năm 2009 đã tăng lên 22,1% vào đầu năm 2016, và 23,3% năm 2018 (BĐ2). Dù số liệu về hiệu suất chỉ trong phạm vi phòng thí nghiệm nhưng đã chứng minh khả năng chuyển đổi năng lượng của pin perovskite, và thu hút sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học cũng như giới đầu tư.

BĐ2: Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin perovskite so với các loại pin mặt trời khác

Ghi chú: Crystalline Si (Crystalline silicon), CdTe (Cadmium Telluride), CIGS (Copper Indium Gallium Selenide), Amorphous Si (Amorphous silicon); DSSC (Dye-Sensitized Solar Cells), Organic Solar cell (OPV), CZTS (Cu₂ZnSnS₄).

Nguồn: ossila.com, Perovskites and Perovskite Solar Cells: An Introduction.

Cấu trúc tinh thể giúp perovskite chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng đạt hiệu quả cao, nhưng đa số các vật liệu cấu trúc perovskite chỉ hấp thụ tối ưu quang tử lam, nên các nhà khoa học nghiên cứu kết hợp với vật liệu khác để có thể hấp thu toàn bộ quang tử ánh sáng các màu khác trong dãy quang phổ.

Ngoài ra, vấn đề đặt ra trong việc chế tạo pin perovskite là chất lượng và độ dày màng. Lớp perovskite hấp thụ ánh sáng cần phải dày vài trăm nanomet, nhưng để tạo ra các lớp dày như vậy với độ đồng đều cao hiện còn khó khăn. Tuy vậy, với các nghiên cứu thành công về pin perovskite được công bố trong những năm vừa qua, dự báo tương lai pin perovskite có khả năng thay thế các tấm pin mặt trời silicon phổ biến hiện nay nhờ hiệu suất cao và giá thành thấp. BĐ3 cho thấy pin perovskite được quan tâm nghiên cứu thông qua số lượng các bài báo khoa học được công bố tăng vọt trong những năm qua.

BĐ3: Số lượng các bài báo khoa học liên quan đến pin perovskite

Nguồn: Oxford PV, The case for solar? (Dữ liệu từ các bài báo khoa học công bố trên Web of Science)

Dựa trên dữ liệu sáng chế của Cơ quan Sáng chế châu Âu (EPO), phân tích xu hướng phát triển công nghệ pin perovskite của công ty Cintelliq Limited cho thấy, giai đoạn 2010-2018 có 3.378 đơn đăng ký sáng chế (SC) liên quan đến pin perovskite, đáng ghi nhận là số lượng đơn sáng chế trong hai năm 2016 và 2017 chiếm trên 70%. Trung Quốc là nước có nhiều đơn sáng chế về pin perovskite (50%), kế đến là Mỹ (10%) và Nhật (9%) (BĐ4, BĐ5).

BĐ4: Số lượng đơn sáng chế liên quan đến pin perovskite (Giai đoạn 2010- 12/2018)

BĐ5: Số lượng đơn sáng chế liên quan đến pin Perovskite tại các nước (Giai đoạn 2010-12/2018)

Nguồn: Cintelliq limited, Perovskite photovoltaics: A review of the patent landscape.

Giai đoạn 2012-2018 có 536 SC liên quan đến pin perovskite đã được cấp bằng, tập trung tại Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật và Mỹ; bốn quốc gia này đã cấp số lượng bằng sáng chế chiếm đến 92%. Trung Quốc và Hàn Quốc là nơi cấp nhiều bằng sáng chế nhất, tỉ lệ lần lượt là 49% và 20% (BĐ6, BĐ7).

 BĐ6: Số lượng bằng sáng chế liên quan đến pin perovskite (Giai đoạn 2012-T9/2018)

BĐ7: Số lượng bằng sáng chế liên quan đến pin Perovskite tại các nước (Giai đoạn 2012-T9/2018)

Nguồn: Cintelliq limited, Perovskite photovoltaics: A review of the patent landscape.

Đơn vị có nhiều đơn đăng ký sáng chế về pin perovskite là Oxford Photovoltaics Ltd., kế đến là Sekisui Chemical Co Ltd. và Fujifilm Corp. Nhiều đơn vị chọn nộp đơn bảo hộ sáng chế ở nước ngoài, riêng các đơn vị Trung Quốc hầu như chỉ đăng ký bảo hộ sáng chế tại Trung Quốc (Bảng 1).

Bảng 1: Các đơn vị có nhiều đơn đăng ký sáng chế liên quan đến pin Perovskite (Giai đoạn 2010-2018)

Ghi chú: WO (Tổ chức Sở hữu trí tuệ thế giới); US (Mỹ); EP (châu Âu); JP (Nhật); KR (Hàn Quốc); CN (Trung Quốc).

Nguồn: Cintelliq limited; osadirect.com, UK company leads the world in patent filings for perovskite solar cell technologies.

Pin perovskite nhiều tiềm năng ứng dụng để phát triển điện mặt trời vì linh hoạt, quy trình sản xuất tương đối dễ và chi phí thấp. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề chưa được làm rõ như: tác động của các yếu tố khác trong vật liệu hoặc việc thay thế các kim loại khác nhau trong cấu trúc perovskite, các yếu tố ảnh hưởng không tốt đến môi trường,…

Dù vậy, pin perovskite được kỳ vọng sẽ sớm được hoàn thiện và bán rộng rãi trên thị trường. Dự báo Trung Quốc và Nhật Bản sẽ là những quốc gia đóng góp phần lớn vào thị trường pin perovskite thế giới. Khu vực châu Á - Thái Bình Dương được cho là thị trường lớn nhất của pin perovskite trong tương lai.

Vũ Trung (CESTI)