Tổng quan về luận án

Bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu và sự suy giảm nghiêm trọng của các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống (chiếm 84,3% tổng tiêu thụ năng lượng sơ cấp toàn cầu theo báo cáo của IEA năm 2019) đã đặt ra yêu cầu cấp bách về việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời với tiềm năng bức xạ vô hạn lên tới 23.000 TW/năm. Tại Việt Nam, chủ trương thúc đẩy năng lượng sạch đã được thể chế hóa thông qua Quyết định số 13/2020/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ. Tuy nhiên, các dòng pin quang điện thế hệ thứ nhất (Silicon đơn tinh thể/đa tinh thể) và thế hệ thứ hai (CIGS, CdTe, a-Si) vẫn gặp phải rào cản lớn về chi phí sản xuất phức tạp, tiêu hao năng lượng chế tạo cao.

Sự xuất hiện của pin mặt trời perovskite lai vô cơ – hữu cơ (Hybrid Inorganic-Organic Perovskite Solar Cells - PSCs) thuộc thế hệ thứ ba đã mở ra một kỷ nguyên đột phá với hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) tăng vọt từ 3,8% (Kojima và cộng sự, 2009) lên đến trên 25,2% chỉ trong một thập kỷ nghiên cứu. Mặc dù sở hữu những đặc tính quang điện ưu việt, công nghệ perovskite vẫn đối mặt với các khoảng trống nghiên cứu (research gaps) mang tính cốt lõi:

  1. Độ ổn định pha nhiệt và tính bền trong môi trường độ ẩm không khí còn kém do cấu trúc $MAPbI_3$ truyền thống dễ bị phân hủy;
  2. Sự tái hợp hạt tải không bức xạ diễn ra mạnh mẽ tại các bề mặt tiếp xúc dị thể giữa lớp hoạt quang và lớp truyền điện tử (ETL);
  3. Chi phí chế tạo linh kiện còn bị đội lên bởi các lớp truyền lỗ trống hữu cơ đắt đỏ (như Spiro-OMeTAD) cùng điện cực kim loại quý (Au, Ag);
  4. Độc tính tiềm tàng của chì ($Pb^{2+}$) đòi hỏi giải pháp thay thế thân thiện với môi trường.

Nhằm giải quyết triệt để các hạn chế trên trong điều kiện công nghệ tại Việt Nam, luận án tiến sĩ chuyên ngành Vật liệu điện tử (Mã số: 9440123) của Nghiên cứu sinh Thạch Thị Đào Liên, thực hiện tại Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn của PGS. Phạm Văn Hội và TS. Lê Hà Chi, đã thực hiện đề tài: "Nghiên cứu chế tạo và khảo sát đặc trưng của vật liệu perovskite vô cơ – hữu cơ ứng dụng cho linh kiện pin mặt trời lai".

Luận án tập trung giải quyết 3 câu hỏi nghiên cứu (Research Questions - RQ) và 3 giả thuyết khoa học (Hypotheses - H) then chốt:

  • RQ1: Làm thế nào để kiểm soát hình thái màng, tối ưu hóa độ rộng vùng cấm và nâng cao độ bền pha của vật liệu perovskite thông qua biến tính thành phần cation/anion hỗn hợp, cấu trúc lai 2D/3D và perovskite kép không chì?
    • H1: Việc phối trộn đa cation ($Cs^+/MA^+/FA^+$) và halogen ($I^-/Br^-$) sẽ tối ưu hóa hệ số dung sai Goldschmidt, giảm khuyết tật mạng bát diện $BX_6$ và hạn chế hiện tượng tách pha.
  • RQ2: Cấu trúc nano của lớp dẫn điện tử ($TiO_2$ phẳng, $TiO_2$ xốp, thanh nano $ZnO$) kết hợp hạt nano kim loại $Au$ (AuNPs) có khả năng nâng cao hiệu suất truyền hạt tải và bẫy ánh sáng quang học như thế nào?
    • H2: Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR) từ AuNPs tích hợp vào lớp $bl-TiO_2$ sẽ tăng cường hấp thụ quang vùng khả kiến và đẩy nhanh quá trình tách cặp electron-hole tại mặt phân cách.
  • RQ3: Quy trình công nghệ nào cho phép chế tạo linh kiện pin mặt trời perovskite cấu trúc xốp không sử dụng lớp truyền lỗ trống (HTM-free PSCs) đạt hiệu suất cao và độ ổn định vượt trội?
    • H3: Kỹ thuật ủ nhiệt trong hơi dung môi isopropanol (Solvent Annealing - SA) đối với màng perovskite lai 2D/3D $(5-AVA)x(MA){1-x}PbI_3$ thâm nhập sâu vào khung ba lớp xốp ($mp-TiO_2/mp-ZrO_2/mp-carbon$) sẽ cải thiện độ kết tinh, tạo tiếp xúc ohmic hoàn hảo và nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang - điện.

Khung lý thuyết của nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp giữa Thuyết vùng năng lượng chất bán dẫn (Band Theory), Thuyết chuyển dời điện tích Marcus (Marcus Charge Transfer Theory) và Cơ học tinh thể học Perovskite (Goldschmidt Tolerance Factor & Octahedral Factor). Với quy mô thực nghiệm toàn diện gồm 137 trang, 10 bảng số liệu và 90 hình vẽ đồ thị phân tích chi tiết, nghiên cứu đã mang lại đóng góp mang tính định lượng rõ rệt: chế tạo thành công linh kiện HTM-free PSCs đạt hiệu suất $PCE = 7,69%$, mở ra hướng đi thực tế cho pin mặt trời in được với chi phí cực thấp.

Literature Review và Positioning

Lịch sử phát triển của pin mặt trời đã trải qua ba thế hệ công nghệ rõ rệt. Thế hệ thứ nhất dựa trên phiến Silic đơn tinh thể và đa tinh thể (chiếm 95% thị phần năm 2020) có hiệu suất phòng thí nghiệm đạt 18% - 23%, nhưng đòi hỏi năng lượng chế tạo lớn từ phương pháp Czochralski ở nhiệt độ cao ($>1400^\circ\text{C}$). Thế hệ thứ hai với pin màng mỏng bán dẫn đa thành phần như $CdTe$ và $Cu(InGa)Se_2$ (CIGS) đạt hiệu suất 10% - 22,8% nhưng phụ thuộc vào các nguyên tố hiếm (In, Ga, Te) và quy trình lắng đọng chân không cao phức tạp. Thế hệ thứ ba ra đời với cột mốc giáo sư Michael Grätzel (1991) phát minh pin mặt trời chất nhuộm màu (DSSCs, hiệu suất khởi điểm 7,1%, cực đại 14,3% với phẩm màu LEG4/ADEKA-1), mở đường cho pin mặt trời hữu cơ (OSCs) và pin mặt trời chấm lượng tử (QDSSCs).

+----------------------------------------------------------------------------------+
|                           TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN PIN MẶT TRỜI                     |
|                                                                                  |
| Thế hệ 1: Si đơn/đa tinh thể (18-23%) -> Tiêu hao năng lượng chế tạo lớn         |
| Thế hệ 2: Màng mỏng CIGS, CdTe (10-22.8%) -> Phụ thuộc nguyên tố hiếm, chân không|
| Thế hệ 3: DSSCs (Grätzel 1991: 7.1%), OSCs, QDSSCs                               |
|       └─> Perovskite (Miyasaka 2009: 3.8% -> Grätzel 2013: 15% -> Hiện nay: 25.2%)|
|                                                                                  |
| VẤN ĐỀ CỐT LÕI: Suy thoái ẩm/nhiệt - Tái hợp dị diện - Độc tính Pb - Giá HTM cao |
| GIẢI PHÁP LUẬN ÁN: Cation hỗn hợp - 2D/3D SA - Plasmonic Au - HTM-free Carbon    |
+----------------------------------------------------------------------------------+

Bước ngoặt công nghệ thực sự diễn ra khi vật liệu perovskite halogen lai vô cơ - hữu cơ $ABX_3$ được đưa vào ứng dụng quang điện:

  • Kojima và Miyasaka (2009): Ứng dụng hạt nano $CH_3NH_3PbI_3$ và $CH_3NH_3PbBr_3$ làm chất nhạy quang trong chất điện phân lỏng, đạt hiệu suất lần lượt 3,8% và 3,13%, nhưng linh kiện bị phân hủy nhanh chóng do perovskite hòa tan trong dung dịch điện ly phân cực.
  • Park, Grätzel và Snaith (2012): Thay thế chất điện ly lỏng bằng chất dẫn lỗ trống trạng thái rắn Spiro-OMeTAD (Park & Grätzel, 2012) nâng hiệu suất lên 9,7% với độ ổn định 500 giờ; tiếp đó Snaith và cộng sự (2012) thay thế $TiO_2$ bằng $Al_2O_3$ làm giàn giáo cách điện, phát hiện tính chất tự dẫn lưỡng cực của perovskite và đạt PCE 10,9%.
  • Michael Grätzel và cộng sự (2013, công bố trên Nature): Tối ưu hóa quy trình lắng đọng hai bước liên tiếp (two-step sequential deposition) cho màng $CH_3NH_3PbI_3$, tạo nên bước nhảy vọt hiệu suất lên 15,0%, kích hoạt làn sóng nghiên cứu toàn cầu.

Trong y văn quốc tế, hai trường phái tranh luận học thuật lớn đã nảy sinh:

  1. Bản chất hạt tải quang sinh: Trường phái excitonic cho rằng các exciton liên kết chặt chi phối chuyển động quang điện; ngược lại, trường phái hạt tải tự do (được chứng minh bởi Ponseca và cộng sự, 2014) khẳng định năng lượng liên kết exciton trong $MAPbI_3$ rất nhỏ ($19 - 50\text{ meV}$), cho phép phân ly tức thời thành các hạt mang điện tự do trong vòng 2 pico giây ($2\text{ ps}$) với độ linh động cao ($25\text{ cm}^2/\text{Vs}$) và thời gian sống kéo dài hàng micro giây.
  2. Cơ chế vận chuyển tại lớp tiếp xúc dị thể: Sự bất cân xứng giữa tốc độ tiêm điện tử siêu nhanh từ Perovskite sang $TiO_2$ ($< 1\text{ ps}$) và độ linh động nội tại chậm chạp trong mạng lưới hạt $TiO_2$ gây tích tụ điện tích và tái hợp bề mặt nghiêm trọng (Marchioro và cộng sự, 2014).

So sánh với các nghiên cứu quốc tế điển hình:

  • Nghiên cứu của Qi Jiang và cộng sự (Nature Photonics, 2019/2021) đạt hiệu suất kỷ lục 23,32% trên cấu trúc phẳng nhờ lớp $SnO_2$ biến tính siêu mỏng 40 nm, nhưng đòi hỏi môi trường phòng sạch và tiền chất cực kỳ tinh khiết.
  • Nghiên cứu của Martin Kaltenbrunner và cộng sự (2015) phát triển pin perovskite dẻo siêu mỏng ($3\ \mu\text{m}$) đạt PCE 12% và mật độ công suất $23\text{ W/g}$.
  • Nghiên cứu của Anyi Mei, Hongwei Han và cộng sự (2014/2017) tiên phong cấu trúc ba lớp xốp $TiO_2/ZrO_2/\text{Carbon}$ in lưới đạt 12,8% nhưng gặp thách thức về độ đồng đều kết tinh khi thâm nhập qua lớp carbon dày.

Luận án của NCS. Thạch Thị Đào Liên định vị chính xác khoảng trống khoa học bằng cách: (1) Làm chủ công nghệ biến tính đa cation ($MA_{0.2}FA_{0.7}Cs_{0.1}Pb(I_{0.83}Br_{0.17})_3$) nhằm nâng cao tính bền nhiệt động lực học; (2) Tích hợp hạt nano plasmonic $Au$ vào lớp $bl-TiO_2$ để cải thiện bẫy quang học và trích xuất hạt tải; (3) Xác lập cơ chế ủ nhiệt trong hơi dung môi isopropanol (SA) cho perovskite lai 2D/3D $(5-AVA)x(MA){1-x}PbI_3$ trên cấu trúc ba tầng xốp không dùng HTM, giải quyết bài toán suy thoái và tối ưu hóa chi phí sản xuất tại Việt Nam.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

+------------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                                     KHUNG PHÂN TÍCH VÀ LÝ THUYẾT TÍCH HỢP                             |
|                                                                                                      |
|  [Hệ số Dung sai Goldschmidt (t)]       [Lý thuyết Tán xạ Plasmon LSPR]     [Lý thuyết Tái hợp Dị diện]|
|                 │                                      │                                  │          |
|                 ▼                                      ▼                                  ▼          |
|  Cs+/FA+/MA+ & I-/Br- phối hợp           AuNPs bốc bay nhiệt xen kẽ         Ủ hơi dung môi SA (IPA)  |
|  0.89 < t < 1.0; μ > 0.442              Trường điện từ gần tăng cường      Thụ động hóa bẫy biên hạt |
|                 │                                      │                                  │          |
|                 └──────────────────────────────┬──────────────────────────────────┘          |
|                                                ▼                                                     |
|                     [TỐI ƯU HÓA ĐỒNG THỜI QUANG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HẠT TẢI]                             |
|                           -> Eg = 1.58 eV; Tái hợp giảm; PCE = 7.69%                                 |
+------------------------------------------------------------------------------------------------------+

Đóng góp cho lý thuyết

Nghiên cứu mang lại những mở rộng lý thuyết quan trọng đối với các mô hình vật lý chất rắn và hóa học tinh thể:

  1. Mở rộng Thuyết Tinh thể học Perovskite và Hệ số Dung sai Goldschmidt: Công thức Goldschmidt chuẩn xác định tính ổn định pha lập phương ($Pm3m$): $$t = \frac{R_A + R_X}{\sqrt{2}(R_B + R_X)}$$ kết hợp hệ số bát diện của Li và cộng sự: $$\mu = \frac{R_B}{R_X} > 0,442$$ Luận án chứng minh trên thực nghiệm rằng cấu trúc đơn cation $MAPbI_3$ ($t \approx 0,912$) dễ bị chuyển pha sang pha tứ giác kém bền ở nhiệt độ phòng khi gặp ẩm. Bằng cách thay thế một phần $MA^+$ ($R = 217\text{ pm}$) bằng $FA^+$ ($R = 253\text{ pm}$) và ion vô cơ nhỏ $Cs^+$ ($R = 167\text{ pm}$), đồng thời thay $I^-$ ($R = 220\text{ pm}$) bằng $Br^-$ ($R = 196\text{ pm}$), hệ số dung sai hữu dụng được điều chỉnh tiệm cận giá trị lý tưởng ($t \approx 0,98 - 1,0$). Điều này ức chế hiện tượng nghiêng bát diện $PbX_6$ (octahedral tilting), nâng cao rào cản năng lượng hình thành khuyết tật phân rã nhiệt động học.

  2. Đóng góp cho Vật lý khuyết tật bán dẫn (Defect Physics): Dựa trên các tính toán lý thuyết phiến hàm mật độ kết hợp tương tác spin-quỹ đạo (DFT/SOC-GW của Umari và cộng sự, 2014; Yin và cộng sự, 2014), luận án làm sáng tỏ rằng các khuyết tật tự sinh có năng lượng hình thành thấp nhất trong mạng tinh thể perovskite là các vị trí khuyết chì ($V_{Pb}^{2-}$) và kẽ xen $MA^+$ ($MA_i^+$). Chúng tạo ra các bẫy điện tử nông (shallow traps) nằm sát dải dẫn (CB) và dải hóa trị (VB), hoàn toàn không đóng vai trò trung tâm tái hợp không bức xạ sâu. Tuy nhiên, tại các mặt phân cách dị thể với $TiO_2$ hoặc $ZnO$, sự sai hỏng mạng lưới tạo ra các bẫy mức sâu (deep-level sub-gap traps). Luận án bổ sung bằng chứng thực nghiệm chứng minh rằng cấu trúc perovskite lai 2D/3D với cation hữu cơ chuỗi dài $5\text{-AVAI}$ ($HOOC(CH_2)_4NH_3I$) đóng vai trò tác nhân thụ động hóa biên hạt (grain boundary passivator), giải phóng ứng suất vi cấu trúc và giảm thiểu đáng kể mật độ bẫy tái hợp bề mặt.

  3. Cơ chế truyền năng lượng Plasmonic - Quang điện: Mô hình ghép cặp điện từ trường plasmonic cục bộ (LSPR) của các hạt nano $Au$ phân bố trên màng $bl-TiO_2$ đã chứng minh khả năng tăng cường mật độ quang tử hấp thụ trong lớp perovskite liền kề mà không làm tăng độ dày vật lý của màng, khắc phục giới hạn tán xạ quang học thông thường.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp đa chiều 3 lý thuyết nền tảng:

  • Lý thuyết Kỹ thuật Vùng cấm (Bandgap Engineering): Điều chỉnh liên tục $E_g$ từ $1,55\text{ eV}$ ($MAPbI_3$) đến $1,58\text{ eV}$ ($MA_{0.2}FA_{0.7}Cs_{0.1}Pb(I_{0.83}Br_{0.17})_3$) và mở rộng hấp thụ tới vùng cận hồng ngoại ($NIR \approx 1060\text{ nm}$) với hệ perovskite kép $Cs_2SnI_6$ ($E_g \approx 1,30 - 1,48\text{ eV}$);
  • Lý thuyết Động lực học Tách và Chuyển dời Hạt tải (Carrier Dynamics & Interface Alignment): Cân bằng năng lượng giữa mức HOMO/LUMO của lớp hoạt quang với dải dẫn của ETL ($TiO_2$, $ZnO$) và mức Fermi của điện cực Carbon;
  • Lý thuyết Động học Kết tinh trong Hơi Dung môi (Solvent Vapor Crystallization Kinetics): Kiểm soát tốc độ bay hơi của dung môi phân cực $IPA$, làm chậm quá trình tạo mầm vô định hình để hình thành các tinh thể perovskite cỡ lớn, định hướng tinh thể cao và phủ kín hoàn toàn mạng xốp mesoscopic.

Điều kiện biên (Boundary Conditions): Quy trình công nghệ được thiết lập và kiểm chứng trong điều kiện độ ẩm tương đối thực tế tại phòng thí nghiệm ($RH = 40% - 60%$), nhiệt độ môi trường $25^\circ\text{C} - 30^\circ\text{C}$, không đòi hỏi môi trường chân không tuyệt đối hay buồng găng khí trơ $N_2$ đắt tiền trong các công đoạn in và ủ màng xốp.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

+------------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                                 SƠ ĐỒ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM ĐA TẦNG                                  |
|                                                                                                      |
|  [CHẾ TẠO LỚP ETL NANO]            [CHẾ TẠO LỚP HOẠT QUANG]             [LẮP RÁP VÀ ĐO ĐẶC TRƯNG]    |
|  • bl-TiO2: Phún xạ 100W, 1.2 Pa   • MAPbI3: Spin-coating/Anti-solvent   • Planar: FTO/ETL/AuNPs/    |
|    + Oxy hóa nhiệt 450°C (60nm)    • Multi-cation: Cs/MA/FA + I/Br                 Perov/Spiro/Au    |
|  • mp-TiO2: Quay phủ/In lưới       • 2D/3D (5-AVA)x(MA)1-xPbI3           • Meso: FTO/bl/mp-TiO2/     |
|  • ZnO NRs: Galvanic/Thủy nhiệt      + Ủ hơi dung môi IPA (SA)                     Perov/Spiro/Au    |
|    (25mM Zn(NO3)2+HMTA, 70°C)      • Cs2SnI6 kép không chì + SnF2        • HTM-free: FTO/bl-TiO2/    |
|  • AuNPs: Bốc bay nhiệt (2-10nm)                                                    mp-TiO2/mp-ZrO2/ |
|                                                                                     mp-C/Perovskite  |
|                                                                                                      |
|  [HỆ THỐNG PHÂN TÍCH]: XRD (Cu-Ka) | FE-SEM mặt cắt | EDX mapping | UV-Vis Tauc | PL | Solar AM1.5G|
+------------------------------------------------------------------------------------------------------+

Thiết kế nghiên cứu

Luận án vận dụng thế giới quan Thực chứng (Positivism) thông qua phương pháp nghiên cứu Thực nghiệm vật lý vật liệu chính xác. Thiết kế nghiên cứu đa tầng (Multi-level Experimental Design) bao gồm 3 cấp độ:

  • Cấp độ 1 (Vật liệu truyền điện tử nano): Tổng hợp và tối ưu hóa cấu trúc hình thái học của $TiO_2$ (dạng phẳng $bl-TiO_2$, dạng xốp $mp-TiO_2$), thanh nano $ZnO$ (ZnO Nanorods - NRs) và màng nano compozit plasmonic $TiO_2-Au$;
  • Cấp độ 2 (Vật liệu màng mỏng thu năng lượng quang): Tổng hợp và kiểm soát vi cấu trúc 4 hệ vật liệu perovskite ($MAPbI_3$, đa thành phần $MA_{0.2}FA_{0.7}Cs_{0.1}Pb(I_{0.83}Br_{0.17})_3$, lai 2D/3D $(5-AVA)x(MA){1-x}PbI_3$, và perovskite kép không chì $Cs_2SnI_6$);
  • Cấp độ 3 (Tích hợp linh kiện quang điện): Chế tạo và khảo sát 3 cấu trúc pin mặt trời: cấu trúc thuận phẳng (Planar n-i-p PSCs), cấu trúc thuận xốp (Mesoporous n-i-p PSCs), và cấu trúc thuận xốp ba lớp in lưới không dùng HTM (Triple-layer Mesoporous HTM-free PSCs).

Quy trình nghiên cứu rigorous

Toàn bộ quy trình thực nghiệm được chuẩn hóa nghiêm ngặt tại Viện Khoa học Vật liệu (VAST), Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS - ĐH Bách Khoa Hà Nội) và Khu Công nghệ cao TP. Hồ Chí Minh:

  1. Làm sạch và xử lý đế: Đế thủy tinh dẫn điện $FTO$ ($15\ \Omega/\text{sq}$) được tẩy siêu âm tuần tự qua dung dịch tẩy rửa Decon 90, nước khử ion (DI), acetone, và cồn isopropanol (IPA) trong 15 phút mỗi bước, sau đó xử lý bề mặt bằng sấy sạch khí $N_2$.

  2. Chế tạo lớp truyền điện tử ETL:

    • Màng $bl-TiO_2$ phẳng: Chế tạo bằng phương pháp phún xạ catot kim loại $Ti$ trên hệ thiết bị chân không cao Univex 400 – Leybold (công suất phún xạ $100\text{ W}$, áp suất khí $Ar$ là $1,2\text{ Pa}$, thời gian 15 phút cho độ dày màng tối ưu cỡ $60\text{ nm}$), sau đó ủ oxy hóa nhiệt trong không khí ở $450^\circ\text{C}$ trong 2 giờ để chuyển hóa hoàn toàn thành pha anatase tinh khiết.
    • Màng $mp-TiO_2$ xốp: Quay phủ ly tâm bằng máy MIDAS SPIN-1200D ở tốc độ $5000\text{ rpm}$ trong 30 giây từ hồ hạt nano $TiO_2$ (pha loãng với ethanol tuyệt đối theo tỉ lệ khối lượng 1:5, 1:7, 1:9 để kiểm soát độ dày từ $100\text{ nm}$ đến $1800\text{ nm}$), tiếp theo ủ thiêu kết ở $500^\circ\text{C}$ trong 30 phút. Hoặc in lưới lớp $TiO_2$ bằng máy in chuyên dụng cho độ dày kiểm soát.
    • Màng thanh nano $ZnO$ (ZnO NRs): Chế tạo bằng phương pháp điện hóa Galvanic kết hợp thủy nhiệt sử dụng thiết bị Autolab PGSTAT-30 trong dung dịch tiền chất $25\text{ mM } Zn(NO_3)2$ và $25\text{ mM } C_6H{12}N_4$ (HMTA) ở nhiệt độ phản ứng $70^\circ\text{C}$ trong 1 giờ.
    • Màng nano compozit $TiO_2-Au$: Lắng đọng lớp hạt nano $Au$ siêu mỏng ($2\text{ nm}, 5\text{ nm}, 10\text{ nm}$) lên trên $bl-TiO_2$ bằng phương pháp bốc bay nhiệt chân không.

  3. Chế tạo màng hoạt quang Perovskite:

    • Màng $MAPbI_3$: So sánh 4 kỹ thuật: phủ quay 1 bước, phủ quay 1 bước kết hợp nhỏ giọt phản dung môi (anti-solvent chlorobenzene), phun phủ (spray-coating), và phủ quay 2 bước liên tiếp ($PbI_2$ trước, nhúng $MAI$ sau). Nồng độ tiền chất khảo sát từ $1,0\text{ M}$ đến $1,3\text{ M}$ trong dung môi hỗn hợp $DMF:DMSO$ (tỉ lệ thể tích 4:1).
    • Màng đa cation $MA_{0.2}FA_{0.7}Cs_{0.1}Pb(I_{0.83}Br_{0.17})_3$: Cân đong chính xác các muối $FAI, PbI_2, MABr, PbBr_2$ và dung dịch $CsI$ trong $DMSO$, phủ quay 2 bước có phản dung môi.
    • Màng lai 2D/3D $(5-AVA)x(MA){1-x}PbI_3$: Thêm $5\text{-AVAI}$ vào tiền chất $MAPbI_3$, phủ trải lên đế ba lớp xốp ($mp-TiO_2 / mp-ZrO_2 / mp-Carbon$). Xử lý kết tinh bằng hai phương pháp so sánh: ủ nhiệt thông thường trên bếp gia nhiệt (Thermal Annealing - TA ở $50^\circ\text{C}$ 1 giờ) và ủ nhiệt trong hơi dung môi isopropanol (Solvent Annealing - SA ở $50^\circ\text{C}$ trong buồng kín chứa hơi $IPA$).
    • Màng perovskite kép $Cs_2SnI_6$: Hòa tan $CsI$ và $SnI_4$ theo tỉ lệ mol 2:1 trong dung môi hỗn hợp $GBL:DMSO$, pha tạp thêm chất phụ gia $SnF_2$ với tỷ lệ biến đổi $0%, 5%, 10%, 20%$ để triệt tiêu các khuyết tật ôxy hóa $Sn^{4+}$.

Data và phân tích

Các mẫu vật liệu và linh kiện được kiểm tra chéo (triangulation) qua hệ thống thiết bị phân tích hiện đại:

  • Cấu trúc tinh thể và định hướng pha: Đo nhiễu xạ tia X (XRD) trên máy D8 Advance Bruker (bức xạ $Cu-K\alpha$, bước sóng $\lambda = 0,15406\text{ nm}$, góc quét $2\theta = 10^\circ - 60^\circ$);
  • Hình thái bề mặt và mặt cắt ngang cấu trúc linh kiện: Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM Hitachi S-4800) ở thế gia tốc $5 - 15\text{ kV}$;
  • Thành phần nguyên tố và phân bố không gian: Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) và kỹ thuật lập bản đồ nguyên tố (EDX mapping);
  • Tính chất quang học và độ rộng vùng cấm: Phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis Lambda 750 PerkinElmer) trong dải bước sóng $300 - 1100\text{ nm}$, xác định $E_g$ qua phương pháp đồ thị Tauc Plot $((F(R)h\nu)^2 \text{ vs } h\nu)$;
  • Động lực học phát xạ và tái hợp: Phổ quang huỳnh quang dừng (Steady-State Photoluminescence - PL) kích thích bằng nguồn laser bước sóng $\lambda = 470\text{ nm}$;
  • Đặc trưng dòng - thế ($J-V$): Đo trên thiết bị Autolab PGSTAT-30 kết hợp hệ thống mô phỏng ánh sáng mặt trời Solar Simulator đạt chuẩn phổ bức xạ quốc tế AM 1.5G (công suất chiếu sáng $P_{in} = 100\text{ mW/cm}^2$, hiệu chuẩn bằng tế bào Si tiêu chuẩn NREL).

Phát hiện đột phá và implications

+------------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                                TÓM TẮT CÁC PHÁT HIỆN THỰC NGHIỆM ĐỘT PHÁ                             |
|                                                                                                      |
| 1. Perovskite đa cation MA0.2FA0.7Cs0.1Pb(I0.83Br0.17)3:                                             |
|    - Cấu trúc lập phương đồng nhất, loại bỏ hoàn toàn pha vàng delta-FAPbI3                          |
|    - Eg = 1.58 eV, độ bền nhiệt động học vượt trội MAPbI3 đơn pha                                    |
|                                                                                                      |
| 2. Hiệu ứng Plasmonic của AuNPs trên lớp bl-TiO2:                                                    |
|    - Lớp Au dày 5 nm tối ưu hóa tán xạ quang và bẫy photon                                           |
|    - Dập tắt huỳnh quang PL mạnh mẽ -> Tốc độ phân tách electron/hole tăng vượt bậc                  |
|                                                                                                      |
| 3. Công nghệ Ủ nhiệt trong Hơi Dung môi IPA (Solvent Annealing - SA):                               |
|    - Tinh thể (5-AVA)x(MA)1-xPbI3 phát triển kích thước lớn, định hướng tinh thể (110) sắc nét        |
|    - Thâm nhập sâu và điền đầy hoàn hảo khung 3 lớp mesoporous (TiO2/ZrO2/Carbon)                    |
|                                                                                                      |
| 4. Linh kiện Mesoporous HTM-free PSCs:                                                               |
|    - Hiệu suất chuyển đổi quang - điện nhảy vọt từ 4.21% (TA) lên 7.69% (SA)                         |
|    - Loại bỏ hoàn toàn lớp Spiro-OMeTAD và điện cực vàng Au đắt đỏ                                   |
+------------------------------------------------------------------------------------------------------+

Những phát hiện then chốt

  1. Tối ưu hóa hình thái và cấu trúc màng Perovskite đa thành phần: Phương pháp phủ quay một bước có kết hợp nhỏ giọt phản dung môi chlorobenzene tạo ra màng $MAPbI_3$ đồng nhất, mật độ lỗ xốp bề mặt triệt tiêu hoàn toàn so với phương pháp phủ quay một bước thông thường hay phun phủ. Đặc biệt, việc chế tạo thành công perovskite đa cation $MA_{0.2}FA_{0.7}Cs_{0.1}Pb(I_{0.83}Br_{0.17})_3$ mang lại giản đồ XRD với các đỉnh nhiễu xạ cực kỳ sắc nét ở $2\theta = 14,1^\circ$ và $28,4^\circ$ đặc trưng cho pha lập phương đối xứng cao, loại bỏ triệt để pha vàng $\delta\text{-FAPbI}_3$ kém hoạt tính quang điện. Bờ hấp thụ quang dịch chuyển nhẹ về mức $E_g = 1,58\text{ eV}$, phù hợp lý tưởng với phổ mặt trời.

  2. Hiệu ứng Plasmonic cục bộ nâng cao khả năng tách hạt tải: Ảnh FE-SEM và phổ EDX mapping khẳng định các hạt nano $Au$ phân bố đồng đều trên màng $bl-TiO_2$. Kết quả phổ UV-Vis cho thấy sự gia tăng độ hấp thụ quang trong khoảng bước sóng $500 - 650\text{ nm}$ do hiệu ứng LSPR. Phổ quang huỳnh quang (PL) của cấu trúc tiếp xúc $MA_{0.2}FA_{0.7}Cs_{0.1}Pb(I_{0.83}Br_{0.17})_3 / TiO_2 / AuNPs$ ghi nhận sự dập tắt huỳnh quang (PL quenching) mạnh nhất tại chiều dày lớp phủ $Au = 5\text{ nm}$. Điều này cung cấp bằng chứng trực tiếp cho thấy sự tiêm điện tử siêu nhanh từ perovskite sang $TiO_2$ được thúc đẩy mạnh mẽ bởi trường điện từ cục bộ, triệt tiêu tái hợp phát xạ nội tại.

  3. Cải tiến vượt bậc nhờ kỹ thuật ủ trong hơi dung môi (Solvent Annealing - SA): Đối với hệ perovskite lai 2D/3D $(5-AVA)x(MA){1-x}PbI_3$, phương pháp ủ nhiệt truyền thống (TA) tạo ra các hạt tinh thể nhỏ, ranh giới hạt lỏng lẻo và nhiều khoảng trống trong khung xốp. Ngược lại, kỹ thuật ủ trong hơi dung môi isopropanol (SA) tạo điều kiện cho các ion tiền chất hòa tan cục bộ và tái kết tinh chậm, hình thành các miền tinh thể kích thước micro đồng nhất, phẳng mịn và định hướng tinh thể cao dọc theo mặt phẳng (110).

  4. Đột phá hiệu suất trên pin mặt trời không dùng lớp truyền lỗ trống (HTM-free PSCs): Khảo sát đặc trưng $J-V$ của linh kiện ba lớp xốp in lưới $FTO/bl-TiO_2/(mp-TiO_2/mp-ZrO_2/mp-Carbon)/Perovskite$ ghi nhận sự cải thiện ngoạn mục khi áp dụng quy trình SA so với TA:

    • Dòng ngắn mạch ($J_{SC}$) tăng mạnh từ $12,34\text{ mA/cm}^2$ lên $17,85\text{ mA/cm}^2$;
    • Điện áp hở mạch ($V_{OC}$) tăng từ $0,78\text{ V}$ lên $0,86\text{ V}$;
    • Hệ số điền đầy ($FF$) tăng từ $0,44$ lên $0,50$;
    • Hiệu suất chuyển đổi năng lượng ($PCE$) đạt bước nhảy vọt từ $4,21%$ lên $7,69%$ (tăng trưởng tương đối $82,6%$).

  5. Tổng hợp thành công Perovskite kép không chì $Cs_2SnI_6$: Màng $Cs_2SnI_6$ có cấu trúc lập phương khuyết ($Fm\bar{3}m$) với năng lượng vùng cấm trực tiếp $E_g = 1,30 - 1,48\text{ eV}$. Việc bổ sung phụ gia $5\text{ mol}%\ SnF_2$ giúp ức chế quá trình oxy hóa tự phát của $Sn^{2+}/Sn^{4+}$, làm giảm nồng độ lỗ trống tự do ngoài ý muốn, giảm mật độ bẫy và mở rộng vùng hấp thụ đến $850\text{ nm}$.

Bảng tổng hợp so sánh các thông số quang - điện của các dòng pin chế tạo trong luận án

Cấu trúc linh kiện Lớp biến tính / Kỹ thuật xử lý $J_{SC}\ (\text{mA/cm}^2)$ $V_{OC}\ (\text{V})$ $FF$ $PCE\ (%)$
Planar PSCs $bl-TiO_2$ chuẩn (M0, $0\text{ nm Au}$) 14,20 0,82 0,51 5,94
Planar PSCs $bl-TiO_2 / AuNPs$ ($5\text{ nm Au}$, M2) 16,80 0,86 0,58 8,38
Mesoporous PSCs $mp-TiO_2$ dày $300\text{ nm}$ (Spiro/Au) 18,50 0,92 0,62 10,54
HTM-free Meso PSCs Ủ nhiệt thông thường (TA) 12,34 0,78 0,44 4,21
HTM-free Meso PSCs Ủ hơi dung môi isopropanol (SA) 17,85 0,86 0,50 7,69

Implications đa chiều

  • Về mặt Lý thuyết: Luận án mở rộng hiểu biết sâu sắc về vai trò của động học dung môi trong kiểm soát ranh giới hạt và tương tác liên phân tử giữa cation hữu cơ chuỗi dài ($5\text{-AVA}$) với mạng khung $PbI_6^{4-}$, thiết lập nền tảng cho thiết kế pin lai đa chiều (2D/3D heterostructures).
  • Về mặt Phương pháp luận: Xác lập quy trình công nghệ ủ hơi dung môi SA và kỹ thuật chế tạo màng nano compozit plasmonic $TiO_2-Au$ có khả năng lặp lại cao, tương thích hoàn toàn với các quy trình chế tạo quang điện chi phí thấp ngoài buồng găng.
  • Về mặt Thực tiễn và Ứng dụng Công nghiệp: Cấu trúc pin ba lớp xốp in lưới không dùng HTM và dùng điện cực than chì ($Carbon$) loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng các hóa chất hữu cơ đắt tiền dễ thoái hóa ($Spiro-OMeTAD \approx 200 - 500\text{ USD/g}$) và kim loại vàng ($Au$), giảm giá thành sản xuất tấm pin quang điện xuống dưới $0,2\text{ USD/W}$, mở đường cho thương mại hóa quy mô lớn.
  • Về mặt Chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học và bằng chứng thực nghiệm vững chắc hỗ trợ các chương trình mục tiêu quốc gia về phát triển năng lượng tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính theo cam kết Net Zero tại COP26 của Việt Nam.

Limitations và Future Research

Mặc dù đạt được những kết quả xuất sắc mang tính tiên phong, luận án thẳng thắn nhìn nhận các giới hạn kỹ thuật nội tại:

  1. Hiệu suất tuyệt đối của hệ không chì ($Cs_2SnI_6$): Mặc dù $Cs_2SnI_6$ thân thiện môi trường và có vùng cấm hẹp, tính linh động hạt tải và điện trở màng vẫn chưa đạt mức tối ưu so với hệ chứa chì, dẫn đến hiệu suất linh kiện tổng thể của dòng pin không chì vẫn còn khiêm tốn.
  2. Kích thước diện tích hoạt động linh kiện (Aperture Area): Các phép đo đặc trưng $J-V$ trong luận án chủ yếu thực hiện trên diện tích linh kiện phòng thí nghiệm ($0,1 - 0,25\text{ cm}^2$). Khi mở rộng quy mô lên các module diện tích lớn ($10\times 10\text{ cm}^2$), điện trở nối tiếp ($R_S$) của điện cực trong suốt $FTO$ và tính không đồng nhất của màng in lưới có thể làm suy giảm hệ số điền đầy ($FF$).
  3. Thử nghiệm độ bền dài hạn (Long-term Stability): Mặc dù cấu trúc 2D/3D HTM-free thể hiện tính kháng ẩm vượt trội hơn hẳn $MAPbI_3$, luận án chưa thực hiện được các thử nghiệm lão hóa gia tốc theo tiêu chuẩn quốc tế ISOS (như ISOS-L-1 chiếu sáng liên tục $1000\text{ giờ}$ ở $65^\circ\text{C}$ và $85%$ RH).

Định hướng nghiên cứu tương lai (Future Research Agenda):

  • Thứ nhất: Nghiên cứu đồng pha tạp đa nguyên tố (Co-doping) trên perovskite kép không chì nhằm tối ưu hóa mật độ hạt tải và giảm thiểu bẫy khuyết tật;
  • Thứ hai: Phát triển công nghệ in phủ cuộn (Roll-to-Roll) hoặc in phun kỹ thuật số (Inkjet Printing) cho cấu trúc ba tầng xốp Carbon trên đế dẻo dẫn điện;
  • Thứ ba: Thiết kế linh kiện đa tầng Tandem (Perovskite/Silicon hoặc Perovskite/CIGS) kết hợp màng perovskite vùng cấm rộng để phá vỡ giới hạn hiệu suất Shockley-Queisser đơn lớp ($33,1%$), hướng tới mục tiêu hiệu suất trên $30%$;
  • Thứ tư: Đóng gói bảo vệ linh kiện cấp độ công nghiệp sử dụng các màng phủ nano polymer kỵ nước kết hợp chất hấp phụ ion chì để loại bỏ hoàn toàn nguy cơ rò rỉ kim loại nặng ra môi trường.

Tác động và ảnh hưởng

+------------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                                   MA TRẬN TÁC ĐỘNG VÀ ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI                            |
|                                                                                                      |
| [HỌC THUẬT & VIỆN NGHIÊN CỨU]     [DOANH NGHIỆP R&D NĂNG LƯỢNG]     [NHÀ HOẠCH ĐỊNH CHÍNH SÁCH]      |
| • Giải pháp 2D/3D & SA            • Quy trình in lưới Carbon        • Cơ sở khoa học QĐ 13/2020      |
| • Cơ chế Plasmonic Au             • Giảm giá thành < 0.2 USD/W      • Lộ trình nội địa hóa Pin MT    |
| • Dẫn liệu tham khảo quý giá      • Tận dụng FTO/Screen-printing    • Hiện thực hóa cam kết Net Zero |
+------------------------------------------------------------------------------------------------------+
  • Tác động Học thuật (Academic Impact): Luận án là một trong những công trình tiên phong, có tính hệ thống và hoàn chỉnh nhất tại Việt Nam trong lĩnh vực pin mặt trời perovskite vô cơ - hữu cơ. Các kết quả công bố trên các tạp chí chuyên ngành uy tín trong nước và quốc tế tạo tiền đề thúc đẩy mạnh mẽ các trích dẫn khoa học (citations) trong cộng đồng nghiên cứu vật liệu bán dẫn quang điện.
  • Chuyển đổi Công nghiệp (Industry Transformation): Đột phá về công nghệ pin ba lớp xốp in lưới không dùng HTM mở ra cơ hội thương mại hóa các tấm pin quang điện chi phí siêu thấp, có thể sản xuất bằng dây chuyền in lụa truyền thống sẵn có tại các doanh nghiệp điện tử trong nước mà không cần đầu tư các hệ thống bốc bay chân không siêu sạch đắt đỏ.
  • Lợi ích Xã hội và Môi trường (Societal & Environmental Benefits): Giảm thiểu sự phụ thuộc vào lưới điện hóa thạch, cung cấp giải pháp nguồn điện phân tán tại chỗ cho các vùng sâu, vùng xa, hải đảo và tích hợp thông minh vào các tòa nhà xanh (Building-Integrated Photovoltaics - BIPV), góp phần giảm thiểu hàng triệu tấn phát thải $CO_2$ mỗi năm.

Đối tượng hưởng lợi

  1. Nghiên cứu sinh và Giới nghiên cứu trẻ: Tiếp cận quy trình chế tạo chi tiết, các thông số thực nghiệm chuẩn xác từ nồng độ tiền chất, tốc độ phủ quay đến nhiệt độ và môi trường ủ màng, rút ngắn thời gian thử sai trong phòng thí nghiệm.
  2. Các nhà Khoa học Vật liệu và Vật lý Chất rắn: Thừa hưởng hệ thống dữ liệu toàn diện về cấu trúc vùng năng lượng, phổ huỳnh quang phân giải, và động thái khuyết tật của các hệ vật liệu perovskite biến tính ($Cs/MA/FA$, $AuNPs/TiO_2$, $Cs_2SnI_6$).
  3. Bộ phận R&D của các Tập đoàn Năng lượng & Doanh nghiệp Sản xuất: Sở hữu giải pháp công nghệ chế tạo pin mặt trời in màng dày giá rẻ, giảm chi phí nguyên vật liệu và đơn giản hóa dây chuyền lắp ráp.
  4. Các Cơ quan Quản lý Nhà nước và Hoạch định Chính sách (Bộ Khoa học & Công nghệ, Bộ Công Thương): Có thêm căn cứ khoa học thực tiễn để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, định hướng đầu tư phát triển công nghiệp năng lượng tái tạo thế hệ mới tại Việt Nam.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và nó mở rộng lý thuyết nào?

Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất là việc mở rộng Thuyết Động học Kết tinh và Thụ động hóa Biên hạt trong hệ lai cấu trúc dị chiều 2D/3D Perovskite $(5-AVA)x(MA){1-x}PbI_3$. Luận án chứng minh rằng sự kết hợp giữa hiệu ứng định hướng lập thể của phân tử hữu cơ mạch dài $5\text{-AVAI}$ và môi trường bão hòa hơi dung môi $IPA$ (Solvent Annealing) tạo ra động năng làm chậm quá trình bay hơi dung môi $DMF/DMSO$, cho phép tinh thể giải phóng toàn bộ nội ứng suất mạng và định hướng ưu tiên theo trục đối xứng [110], mở rộng Thuyết Tinh thể học Perovskite cổ điển vốn chỉ áp dụng cho màng mỏng 3D vô cơ đồng nhất.

2. Điểm mới về phương pháp luận nghiên cứu khi so sánh với ít nhất 2 công trình quốc tế?

  • So với công trình của Michael Grätzel và cộng sự (Nature, 2013) sử dụng phương pháp phủ hai bước liên tiếp với dung dịch $MAI$ trong môi trường phòng sạch nghiêm ngặt và dùng lớp HTM đắt đỏ, luận án đã làm chủ phương pháp in lưới ba lớp xốp liên hoàn ($TiO_2/ZrO_2/Carbon$) không dùng HTM trong điều kiện phòng thí nghiệm thông thường;
  • So với nghiên cứu của Anyi Mei, Hongwei Han và cộng sự (Science, 2014) về pin mesoscopic carbon dùng ủ nhiệt khô thông thường (TA), luận án đã sáng tạo việc áp dụng kỹ thuật ủ nhiệt trong hơi dung môi isopropanol (SA) cho cấu trúc ba tầng xốp, giải quyết triệt để vấn đề kết tinh nghèo nàn và tạo tiếp xúc bề mặt hoàn hảo giữa perovskite và điện cực carbon.

3. Phát hiện thực nghiệm gây bất ngờ nhất được hỗ trợ bởi số liệu dữ liệu?

Phát hiện bất ngờ nhất là sự nhảy vọt về hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ $4,21%$ lên $7,69%$ (tăng trưởng $82,6%$) của pin mặt trời HTM-free chỉ bằng việc thay đổi môi trường ủ màng từ ủ nhiệt khô (TA) sang ủ trong hơi dung môi isopropanol (SA). Dữ liệu mặt cắt FE-SEM chứng minh màng perovskite chế tạo theo phương pháp SA đã điền đầy hoàn toàn mạng xốp của cả 3 lớp ($mp-TiO_2$, $mp-ZrO_2$, và $mp-Carbon$), triệt tiêu các bẫy tái hợp không bức xạ, nâng dòng $J_{SC}$ từ $12,34\text{ mA/cm}^2$ lên $17,85\text{ mA/cm}^2$.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập thực nghiệm (Replication Protocol) hoàn chỉnh không?

Hoàn toàn có. Luận án cung cấp chi tiết tuyệt đối từng bước thông số công nghệ: công suất phún xạ $100\text{ W}$, áp suất $Ar$ $1,2\text{ Pa}$, nhiệt độ ủ $450^\circ\text{C}$ cho $bl-TiO_2$; tốc độ phủ quay $5000\text{ rpm}$ trong $30\text{ s}$ cho $mp-TiO_2$; nồng độ muối $25\text{ mM } Zn(NO_3)_2 + 25\text{ mM HMTA}$ ở $70^\circ\text{C}$ trong $1\text{ giờ}$ cho thanh nano $ZnO$; tỉ lệ mol phối trộn tiền chất $Cs/MA/FA$, và quy trình ủ hơi dung môi $SA$ ở $50^\circ\text{C}$ trong buồng kín chứa hơi $IPA$. Bất kỳ phòng thí nghiệm vật liệu nào cũng có thể tái lập chính xác các kết quả này.

5. Chương trình nghị sự nghiên cứu 10 năm (10-year Research Agenda) được phác thảo như thế nào?

Lộ trình 10 năm được xác lập qua 3 giai đoạn chiến lược:

  • Giai đoạn 1 (1 - 3 năm): Tối ưu hóa kích thước hạt và cơ chế truyền hạt tải trong hệ pin không chì $Cs_2SnI_6$, nâng cao hiệu suất dòng pin thân thiện môi trường lên trên $10%$;
  • Giai đoạn 2 (4 - 6 năm): Phát triển module pin mặt trời perovskite HTM-free in lưới diện tích lớn ($100\text{ cm}^2 - 1000\text{ cm}^2$) với hiệu suất module đạt trên $12%$, đạt chuẩn độ bền quốc tế ISOS ($>10.000\text{ giờ}$);
  • Giai đoạn 3 (7 - 10 năm): Chế tạo pin mặt trời hai lớp Tandem Perovskite/Silicon tương thích công nghiệp, tích hợp màng bảo vệ kỵ nước chống rò rỉ chì, tiến tới chuyển giao công nghệ sản xuất đại trà tại Việt Nam.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của NCS. Thạch Thị Đào Liên đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu đề ra với 5 đóng góp cốt lõi:

  1. Làm chủ và tối ưu hóa quy trình tổng hợp 4 hệ vật liệu perovskite quang điện chất lượng cao ($MAPbI_3$, $MA_{0.2}FA_{0.7}Cs_{0.1}Pb(I_{0.83}Br_{0.17})_3$, lai 2D/3D $(5-AVA)x(MA){1-x}PbI_3$, và $Cs_2SnI_6$), kiểm soát chính xác độ rộng vùng cấm ($1,30 - 1,58\text{ eV}$) bao phủ toàn bộ dải phổ nhìn thấy và mở rộng sang cận hồng ngoại;
  2. Chế tạo thành công hệ vật liệu dẫn điện tử nano đa dạng bao gồm $TiO_2$ phẳng, $TiO_2$ xốp, thanh nano $ZnO$ mọc trực tiếp bằng phương pháp điện hóa Galvanic - thủy nhiệt, và màng nano compozit plasmonic $TiO_2-Au$;
  3. Khám phá và làm sáng tỏ cơ chế bẫy photon và phân tách hạt tải siêu nhanh nhờ hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR) của các hạt nano $Au$ phân bố trên màng $bl-TiO_2$;
  4. Phát triển thành công công nghệ ủ nhiệt trong hơi dung môi isopropanol (SA), cải thiện vượt bậc chất lượng tinh thể và khả năng thâm nhập của màng perovskite lai 2D/3D qua khung ba lớp xốp mesoscopic;
  5. Chế tạo hoàn chỉnh linh kiện pin mặt trời perovskite cấu trúc thuận xốp không dùng lớp truyền lỗ trống (HTM-free PSCs) đạt hiệu suất chuyển đổi quang - điện đột phá $7,69%$, loại bỏ hoàn toàn các vật liệu đắt tiền và quy trình chân không phức tạp.

Công trình không chỉ mang lại bước tiến quan trọng về mặt học thuật trong việc làm sáng tỏ động thái kết tinh và truyền hạt tải trong vật liệu quang điện thế hệ mới, mà còn đặt nền móng công nghệ vững chắc cho việc phát triển các dòng pin mặt trời giá rẻ, bền vững, góp phần hiện thực hóa chiến lược an ninh năng lượng xanh và chuyển đổi số năng lượng tại Việt Nam trong kỷ nguyên mới.