Trong khi silicon vẫn là nền tảng của ngành công nghiệp bán dẫn và pin mặt trời suốt nhiều thập kỷ, sự xuất hiện của perovskite, một nhóm khoáng chất vô cơ có cấu trúc đặc biệt đang dần thay đổi cuộc chơi. Từ vật liệu kém bền đến niềm hy vọng mới của năng lượng sạch
Nhóm nghiên cứu tại Đại học Cambridge vừa đạt được một bước tiến rất đáng chú ý, họ đã tạo ra được những lớp vật liệu perovskite halide mỏng đến mức chỉ bằng 1/10 nanomet, tức là mỏng hơn cả những gì mắt người hay kính hiển vi thông thường có thể thấy. Điều đặc biệt là dù mỏng như vậy, các lớp vật liệu này lại rất ổn định và hoạt động tốt.
Nhờ làm chủ được độ mỏng và độ ổn định ở mức “siêu vi mô” này, các nhà khoa học có thể điều khiển ánh sáng và dòng điện bên trong vật liệu một cách chính xác hơn. Điều đó mở ra cơ hội tạo ra: Pin mặt trời thu được nhiều năng lượng hơn mà giá lại rẻ hơn và thậm chí là các thiết bị lượng tử, lĩnh vực công nghệ đang được kỳ vọng sẽ tạo ra thế hệ máy tính siêu mạnh trong tương lai.
Điểm hấp dẫn nhất nằm ở chỗ: perovskite có thể làm được những điều mà silicon, vật liệu đang thống trị ngành điện tử không làm được hoặc làm với chi phí rất cao. Vì vậy, nếu công nghệ này tiếp tục phát triển, chúng ta có thể bước vào thời kỳ mới của các thiết bị điện tử: hiệu quả hơn, mỏng hơn, linh hoạt hơn và đặc biệt là giá thành thấp hơn rất nhiều.
Perovskite có cấu trúc tương tự khoáng chất CaTiO₃ trong tự nhiên, vốn nổi bật vì khả năng hấp thụ và phát xạ ánh sáng vượt trội. Tuy nhiên, điểm yếu cố hữu của các hợp chất perovskite halide, như độ nhạy với ánh sáng, nhiệt và độ ẩm, khiến chúng khó duy trì tính ổn định trong thời gian dài. Thêm vào đó, phần lớn các tế bào quang điện perovskite trước đây đều sử dụng chì, yếu tố gây tranh cãi do độc tính cao.
Chính những hạn chế này khiến perovskite dù đầy hứa hẹn nhưng chưa thể thay thế silicon trên quy mô công nghiệp. Công trình mới của Đại học Cambridge đã thay đổi cục diện. Nhờ kỹ thuật xử lý bằng hơi nước, phương pháp tương tự công nghệ sản xuất bán dẫn hiện nay, các nhà khoa học có thể nuôi cấy từng lớp vật liệu với độ chính xác cấp nguyên tử.
Nhóm nghiên cứu cho biết, có thể tạo được một tinh thể perovskite hoàn hảo bằng cách thay đổi thành phần từng lớp một. Các lớp 2D và 3D này chỉ mỏng tới 1/10 nanomet, độ mỏng gần như tối đa mà con người có thể kiểm soát, tạo nên khả năng hấp thụ và phát sáng cực kỳ hiệu quả.
Tối giản quy trình, tối đa hiệu quả
So với quy trình xử lý dung dịch truyền thống vốn khó kiểm soát, phương pháp xử lý hơi mang lại sự tinh gọn và ổn định vượt trội. Việc chuyển sang xử lý hơi vốn là kỹ thuật quen thuộc của ngành bán dẫn, cho phép vật liệu đạt được độ chính xác nguyên tử tương tự, nhưng với vật liệu dễ thao tác hơn nhiều.
Không chỉ tăng độ ổn định, phương pháp này còn giúp điều chỉnh chính xác các “mối nối”, nơi điện tích được giữ lại hoặc được tách ra để tạo dòng điện. Khả năng “thiết kế theo yêu cầu” này mở ra cánh cửa cho các thiết bị perovskite halide có hiệu suất vượt silicon trong tương lai. Điều này có thể cách mạng hóa cách việc sản xuất thiết bị điện tử và pin mặt trời giá rẻ.
Với khả năng điều chỉnh cấu trúc ở cấp độ nguyên tử, perovskite halide đang trở thành vật liệu chiến lược cho các công nghệ quang - điện tử thế hệ mới. Khi độ bền và tính ổn định, hai yếu tố vốn là “tử huyệt” của perovskite đã được khắc phục đáng kể nhờ phương pháp xử lý hơi, triển vọng thương mại hóa các thiết bị perovskite mang tính khả thi hơn bao giờ hết.
Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh nhu cầu năng lượng sạch toàn cầu tăng mạnh, đòi hỏi các giải pháp vừa hiệu quả, vừa tiết kiệm chi phí, lại vừa giảm phụ thuộc vào silicon, một nguyên liệu đắt đỏ và ngày càng khó mở rộng sản xuất.
Các nhà khoa học kỳ vọng, khi quy trình chế tạo perovskite halide siêu mỏng được hoàn thiện, ngành công nghiệp sẽ có thể sản xuất hàng loạt các linh kiện quang điện với hiệu suất cao, đồng thời giảm đáng kể chi phí đầu vào.
Những tấm pin mặt trời linh hoạt có thể dán lên kính tòa nhà, hay các cảm biến lượng tử độ nhạy cực cao cho lĩnh vực y tế và quốc phòng, tất cả đều có thể trở thành hiện thực trong thập kỷ tới.
Vật liệu cho thấy tiềm năng cách mạng hóa toàn bộ chuỗi sản xuất thiết bị điện tử, từ điện thoại thông minh, màn hình hiển thị, cho tới hệ thống năng lượng tái tạo. Khi những hạn chế cuối cùng được giải quyết, perovskite halide có thể trở thành nền tảng của các thiết bị thông minh giá rẻ, hiệu suất cao, một thành tố quan trọng trong việc thúc đẩy phát triển bền vững và chuyển đổi năng lượng trên phạm vi toàn cầu.
