Một nhóm các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Ames của Bộ Năng lượng đã phát triển một công cụ mô tả đặc tính mới cho phép họ hiểu sâu hơn về một vật liệu thay thế khả thi cho pin mặt trời.
Dưới sự lãnh đạo của Jigang Wang, nhà khoa học cấp cao của Phòng thí nghiệm Ames, nhóm đã phát triển một kính hiển vi sử dụng sóng terahertz để thu thập dữ liệu về các mẫu vật liệu.
>> Tham khảo: Các nhà khoa học thúc đẩy các tiêu chuẩn FAIR để quản lý các mô hình trí tuệ nhân tạo.
Sau đó, nhóm đã sử dụng kính hiển vi của mình để khám phá Methylammonium Chì Iodide (MAPbI3) perovskite, một vật liệu có khả năng thay thế silicon trong pin mặt trời.
Richard Kim, một nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Ames, đã giải thích hai tính năng làm cho kính hiển vi đầu dò quét mới trở nên độc đáo. Đầu tiên, kính hiển vi sử dụng dải tần số điện từ terahertz để thu thập dữ liệu về vật liệu.
Phạm vi này thấp hơn nhiều so với phổ ánh sáng nhìn thấy được, nằm giữa tần số hồng ngoại và vi sóng. Thứ hai, ánh sáng terahertz được chiếu qua một đầu kim loại sắc nhọn giúp nâng cao khả năng của kính hiển vi đối với thang đo độ dài nanomet.
“Thông thường nếu bạn có sóng ánh sáng, bạn không thể nhìn thấy những thứ nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng bạn đang sử dụng. Và đối với ánh sáng terahertz này, bước sóng là khoảng một milimet, vì vậy nó khá lớn”, Kim giải thích.
>> Tham khảo: Những hiểu biết mới mở ra cánh cửa cho một công nghệ năng lượng mặt trời.
“Nhưng ở đây, chúng tôi đã sử dụng đầu kim loại sắc nhọn này với đỉnh được mài sắc đến độ cong bán kính 20 nanomet và điều này hoạt động như ăng-ten của chúng tôi để nhìn thấy những thứ nhỏ hơn bước sóng mà chúng tôi đang sử dụng.”
Sử dụng kính hiển vi mới này, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu một vật liệu perovskite, MAPbI3, gần đây đã được các nhà khoa học quan tâm như một vật liệu thay thế cho silicon trong pin mặt trời. Perovskites là một loại chất bán dẫn đặc biệt vận chuyển điện tích khi tiếp xúc với ánh sáng khả kiến. Thách thức chính đối với việc sử dụng MAPbI3 trong pin mặt trời là nó dễ phân hủy khi tiếp xúc với các yếu tố như nhiệt và độ ẩm.
Theo Wang và Kim, nhóm dự kiến MAPbI3 sẽ hoạt động như một chất cách điện khi họ cho nó tiếp xúc với ánh sáng terahertz. Vì dữ liệu được thu thập trên một mẫu là dữ liệu về cách ánh sáng tán xạ khi vật liệu tiếp xúc với sóng terahertz, nên họ mong đợi mức độ tán xạ ánh sáng thấp nhất quán trong toàn bộ vật liệu. Tuy nhiên, những gì họ phát hiện ra là có rất nhiều sự thay đổi trong sự tán xạ ánh sáng dọc theo ranh giới giữa các hạt.
>> Tham khảo: Cách tăng cường can thiệp sớm đối với các rủi ro sức khỏe liên quan đến khí hậu.
Kim giải thích rằng các vật liệu dẫn điện, như kim loại, sẽ có mức tán xạ ánh sáng cao trong khi các vật liệu kém dẫn điện hơn, như chất cách điện, sẽ không nhiều như vậy. Sự thay đổi rộng rãi của tán xạ ánh sáng được phát hiện dọc theo ranh giới hạt trong MAPbI3 làm sáng tỏ vấn đề xuống cấp của vật liệu.
Trong suốt một tuần, nhóm tiếp tục thu thập dữ liệu về vật liệu và dữ liệu được thu thập trong thời gian đó cho thấy quá trình xuống cấp thông qua những thay đổi về mức độ tán xạ ánh sáng. Thông tin này có thể hữu ích để cải thiện và thao tác tài liệu trong tương lai.
Wang cho biết: “Chúng tôi tin rằng nghiên cứu hiện tại chứng minh một công cụ kính hiển vi mạnh mẽ để trực quan hóa, hiểu và có khả năng giảm thiểu sự suy giảm ranh giới hạt, bẫy khuyết tật và sự xuống cấp của vật liệu”. “Hiểu rõ hơn về những vấn đề này có thể cho phép phát triển các thiết bị quang điện dựa trên perovskite hiệu quả cao trong nhiều năm tới.”
>> Tham khảo: Combo CRISPR mới tăng cường sức mạnh chỉnh sửa bộ gen ở thực vật.
Các mẫu MAPbI3 được cung cấp bởi Đại học Toledo. Nghiên cứu này được thảo luận thêm trong bài báo “Hình ảnh nano Terahertz của vật liệu pin mặt trời Perovskite,” được viết bởi Richard H. J. Kim, Zhaoyu Liu, Chuankun Huang, Joong-Mok Park, Samuel J. Haeuser, Zhaoning Song, Yanfa Yan, Yongxin Yao, Liang Luo, và Jigang Wang, và xuất bản trong ACS Photonics.
