Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm năng lượng Lawrence Berkeley thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã tìm ra cách sử dụng kính hiển vi quang học để lập bản đồ pin mặt trời màng mỏng ở dạng 3D khi chúng hấp thụ photon.

Pin mặt trời thế hệ mới được chế tạo từ các màng vật liệu bán dẫn siêu mỏng, rất triển vọng vì pin có giá thành tương đối rẻ và đủ linh hoạt để sử dụng ở mọi nơi. Các nhà khoa học đang nghiên cứu để tăng mạnh hiệu suất chuyển đổi ánh nắng mặt trời thành điện năng của loại pin mặt trời này. Nhưng đây là thách thức lớn, một phần là vì khu vực dưới bề mặt của pin mặt trời nơi chủ yếu diễn ra hoạt động chuyển đổi năng lượng, lại không thể chụp hình được. Vì thế, khó cải tiến những gì bạn không thể nhìn thấy.

​

Giờ đây, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm năng lượng Lawrence Berkeley thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã tìm ra cách sử dụng kính hiển vi quang học để lập bản đồ pin mặt trời màng mỏng ở dạng 3D khi chúng hấp thụ photon.

Phương pháp này chụp ảnh động lực quang điện tử trong các vật liệu ở cấp độ micro mét hay mỏng hơn nhiều đường kính của sợi tóc. Cấp độ này đủ nhỏ để quan sát ranh giới giữa các hạt, giao diện bề mặt và rào cản bên trong bẫy các điện tử bị kích thích và cản trở chúng đi đến điện cực, làm giảm hiệu suất pin mặt trời.

Đến nay, các nhà khoa học đã sử dụng kỹ thuật chụp ảnh động lực quang điện tử để tìm hiểu vì sao việc bổ sung một hóa chất cụ thể vào pin mặt trời được làm từ cadmium telluride (CdTe), vật liệu màng mỏng phổ biến nhất, lại có thể cải thiện hiệu suất pin mặt trời.

Trong khi chế tạo vật liệu của pin mặt trời mới, nhóm nghiên cứu đã phát hiện thấy các kỹ thuật quang học thông thường không thể chụp ảnh hoạt động bên trong của vật liệu. Do vậy, họ đã phát triển một kỹ thuật mới để nghiên cứu pin mặt trời CdTe. Để làm được điều này, các nhà khoa học đã thay đổi một kỹ thuật được gọi là kính hiển vi hai photon (được các nhà sinh học sử dụng để quan sát các mẫu dày ở bên trong như mô sống) để có thể áp dụng cho số lượng lớn vật liệu bán dẫn.

Phương pháp này sử dụng một chùm tia laser hội tụ cao của photon hồng ngoại thâm nhập vào bên trong vật liệu quang điện. Khi hai photon năng lượng thấp hội tụ tại cùng một điểm, sẽ có đủ năng lượng để kích thích các điện tử. Các điện tử này được theo dõi để xác định thời gian chúng duy trì ở trạng thái kích thích, trong đó, các điện tử tồn tại lâu xuất hiện dưới dạng các điểm sáng trong hình ảnh dưới kính hiển vi. Trong pin mặt trời, các điện tử tồn tại lâu có nhiều khả năng di chuyển đến điện cực. Ngoài ra, chùm tia laser có thể được thay đổi vị trí một cách có hệ thống trong pin mặt trời thí nghiệm để tạo ra hình ảnh 3D về toàn bộ động lực quang điện tử của pin. Như vậy, kỹ thuật mới đã làm sáng tỏ lợi ích của việc xử lý pin mặt trời CdTe bằng cadmium chloride, thường được bổ sung trong quá trình sản xuất pin.

Các nhà khoa học đều biết rằng cadmium chloride làm tăng hiệu suất của pin mặt trời CdTe, nhưng ảnh hưởng của nó đến các điện tử bị kích thích ở quy mô micro mét chưa được hiểu rõ. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh các ion clo có xu hướng tích tụ ở ranh giới giữa các hạt, nhưng điều đó ảnh hưởng ra sao đến sự tồn tại của các điện tử bị kích thích còn chưa được xác định.

Nhờ kỹ thuật chụp ảnh mới, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra việc xử lý bằng cadmium chloride làm tăng tuổi thọ của các điện tử bị kích thích tại biên giới giữa các hạt, cũng như trong bản thân các hạt. Hiện tượng này có thể dễ dàng được quan sát trong các hình ảnh 3D của pin mặt trời CdTe mà không cần có sự can thiệp. Pin mặt trời đã được xử lý, "phát sáng" đều hơn toàn bộ vật liệu, cả trong các hạt và không gian giữa chúng.

Kỹ thuật chụp ảnh 3D cho pin mặt trời có thể giúp các nhà khoa học cải tiến vật liệu của pin mặt trời màng mỏng không chỉ vật liệu CdTe mà cả perovskite và các hợp chất hữu cơ.