Pin mặt trời perovskite bỏ luôn dung môi: Một bước nhỏ nhưng quan trọng để rời phòng lab

Fraunhofer ISE và Đại học Freiburg vừa trình diễn quy trình tandem perovskite–silicon không dùng dung môi, tạo lớp perovskite bằng bay hơi tuần tự trong chân không. Đây không phải kỷ lục hiệu suất mới, nhưng giải đúng một nút thắt quan trọng của scale-up: phủ đồng đều trên silicon có texture mà không phụ thuộc chemistry của dung môi.

Tháng 8 28, 2026

Pin mặt trời perovskite bỏ luôn dung môi: Một bước nhỏ nhưng quan trọng để rời phòng lab

Perovskite đã chứng minh trong phòng thí nghiệm rằng nó có thể biến pin mặt trời silicon thành một thiết bị hiệu suất cao hơn. Bài toán khó hơn là làm sao sản xuất lớp vật liệu này hàng loạt mà không phải dựa vào một “công thức mực” nhạy với dung môi, độ ẩm, tốc độ sấy và từng chi tiết nhỏ của bề mặt.

Một nghiên cứu mới từ Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE và Đại học Freiburg đang đi theo một hướng rất trực tiếp: bỏ dung môi khỏi quy trình chế tạo lớp perovskite phía trên.

Trong công bố ngày 27/8/2026, nhóm của Mohamed A. A. Mahmoud và Dr. Juliane Borchert cho biết họ đã tạo một pin mặt trời tandem perovskite–silicon bằng chuỗi công nghệ không dùng dung môi, trong đó lớp hấp thụ perovskite được hình thành bằng physical vapor deposition (PVD) và cụ thể là sequential evaporation – bay hơi tuần tự.

Công trình được đăng trên tạp chí Joule với tiêu đề Impact of silicon substrate topography on sequentially evaporated perovskite film growth. Thay vì chỉ hỏi “cell đạt bao nhiêu phần trăm hiệu suất?”, nghiên cứu tập trung vào câu hỏi gần với nhà máy hơn: perovskite hình thành ra sao khi được phủ lên bề mặt silicon phẳng và silicon có texture?

Đây là một bước nghe có vẻ nhỏ. Nó không tạo ra một kỷ lục hiệu suất mới và cũng không có nghĩa pin perovskite đã sẵn sàng thay silicon trên mái nhà ngày mai.

Nhưng nếu perovskite muốn rời khỏi thế giới cell vài milimet hoặc vài centimet trong glovebox để bước vào dây chuyền sản xuất diện tích lớn, cách tạo màng chính là một trong những bài toán phải giải.

Vì sao perovskite trong phòng lab thường cần dung môi?

Một trong những lý do perovskite phát triển nhanh trong nghiên cứu là nó tương đối dễ tạo thành màng mỏng bằng phương pháp dung dịch.

Các tiền chất chứa chì, iodide, bromide và cation hữu cơ hoặc vô cơ có thể được hòa tan thành một loại “mực” precursor. Nhà nghiên cứu nhỏ dung dịch lên substrate rồi dùng spin coating, blade coating, slot-die coating hoặc một kỹ thuật in/phủ khác để tạo lớp ướt.

Sau đó dung môi bay hơi, các precursor cô đặc lại và kết tinh thành perovskite.

Ở cấp độ lab, đây là một lợi thế rất lớn. Không cần lò epitaxy phức tạp hay nhiệt độ xử lý cực cao. Chỉ cần thay tỷ lệ muối, additive, dung môi hoặc điều kiện annealing là có thể thử một composition mới khá nhanh.

Nhưng chính sự linh hoạt đó trở thành nguồn biến số khi scale lên.

Độ dày màng có thể phụ thuộc vào:

độ nhớt của dung dịch;
độ bay hơi của dung môi;
nhiệt độ substrate;
độ ẩm không khí;
tốc độ coating;
wettability của bề mặt;
thời gian nucleation và crystallization;
cách sấy hoặc dùng antisolvent.

Một recipe hoạt động đẹp trên cell 1 cm² chưa chắc tự động cho màng đồng đều trên một wafer lớn hoặc module dài hàng mét.

Dung môi không chỉ là câu chuyện “độc hay không độc”

Khi nói tới quy trình perovskite dùng dung dịch, người ta thường nhắc ngay tới các solvent như DMF hoặc DMSO và vấn đề sức khỏe, môi trường.

Đó là một phần quan trọng, nhưng chưa phải toàn bộ câu chuyện.

Ở góc nhìn sản xuất, dung môi còn tạo ra các vấn đề kỹ thuật:

nguyên liệu phải hòa tan đủ tốt và ổn định trong ink;
lớp ướt phải bám đều trên toàn bề mặt;
dung môi phải rời khỏi màng với tốc độ phù hợp;
không được hòa tan hoặc phá hỏng lớp nằm bên dưới;
các vùng cạnh, texture và khuyết tật bề mặt có thể khô khác vùng phẳng;
dây chuyền phải thu hồi, xử lý và kiểm soát hơi dung môi.

Trong một tandem monolithic, vấn đề càng nhạy vì lớp perovskite không nằm trên tấm kính phẳng đơn giản. Nó phải được xây trực tiếp phía trên một solar cell silicon đã có nhiều lớp chức năng và thường có bề mặt được tạo texture để bẫy ánh sáng.

Do đó, “bỏ dung môi” không chỉ là thay một hóa chất bằng hóa chất khác. Nó thay đổi bản chất của bài toán tạo màng.

Thay vì trải một lớp mực, nhóm nghiên cứu “bốc hơi” vật liệu lên wafer

Trong physical vapor deposition, vật liệu nguồn được đưa vào pha hơi trong môi trường chân không rồi ngưng tụ trên substrate.

Đây là logic rất quen thuộc trong ngành semiconductor và sản xuất thin film.

Với perovskite, khó khăn nằm ở chỗ vật liệu cuối không phải chỉ một nguyên tố hay một oxide đơn giản. Nó là tinh thể gồm nhiều thành phần phải xuất hiện với tỷ lệ và cấu trúc phù hợp.

Nhóm Freiburg sử dụng sequential evaporation. Thay vì hòa mọi precursor trong một dung dịch, các thành phần được đưa lên substrate theo những bước bay hơi tuần tự. Sau deposition và annealing, chúng khuếch tán và phản ứng để tạo pha perovskite mong muốn.

Lợi thế trực quan của cách này là không tồn tại một mặt chất lỏng đang chảy, co lại và khô trên bề mặt.

Độ dày vật liệu được điều khiển chủ yếu bằng lượng flux, thời gian deposition và điều kiện chân không. Một bề mặt gồ ghề cũng không cần “ướt” theo nghĩa của coating dung dịch.

Điều đó đặc biệt đáng quan tâm khi substrate phía dưới là silicon có texture.

Silicon thương mại không phải một tấm gương phẳng

Nhìn bằng mắt, wafer silicon trong một solar cell có thể trông khá phẳng.

Ở cấp micromet, nhiều cell silicon hiệu suất cao sử dụng bề mặt có các cấu trúc hình học – thường là những pyramid nhỏ – để giảm phản xạ và tăng đường đi quang học của ánh sáng.

Texture này tốt cho quang học, nhưng tạo thách thức lớn cho lớp perovskite phía trên.

Nếu màng perovskite quá mỏng ở đỉnh pyramid, quá dày trong thung lũng hoặc xuất hiện pinhole ở cạnh dốc, điện áp và fill factor có thể suy giảm mạnh. Một defect rất nhỏ cũng có thể biến thành đường rò điện giữa các lớp.

Vì vậy, một tandem dùng silicon công nghiệp cần một công nghệ deposition có khả năng conformal: phủ liên tục trên địa hình ba chiều thay vì chỉ tạo màng đẹp trên kính phẳng.

Đây là lý do tiêu đề paper của Fraunhofer tập trung vào substrate topography chứ không phải một con số efficiency.

Nhóm dùng X-ray để xem tinh thể hình thành ngay trong lúc deposition

Một điểm quan trọng khác của nghiên cứu là nhóm không chỉ chế tạo cell rồi chụp ảnh sau cùng.

Họ phối hợp với Martin Luther University Halle-Wittenberg để sử dụng in-situ X-ray diffraction (XRD), theo dõi cách các pha tinh thể xuất hiện trong quá trình evaporation và annealing.

XRD cho biết một vật liệu đang ở pha tinh thể nào thông qua cách nó nhiễu xạ tia X.

Nếu đo theo thời gian, nhà nghiên cứu có thể thấy precursor ban đầu chuyển sang intermediate rồi trở thành perovskite ở giai đoạn nào; texture của silicon làm quá trình này thay đổi ra sao; và annealing đang thúc đẩy phản ứng nào.

Đây là dữ liệu quan trọng để biến một recipe từ “làm theo kinh nghiệm” thành một process có thể kiểm soát.

Trong sản xuất, biết chính xác cửa sổ nhiệt độ, thickness và thời gian mà pha mong muốn xuất hiện giúp thiết kế thiết bị và feedback control tốt hơn nhiều so với chỉ kiểm tra cell ở cuối dây chuyền.

Tại sao đây có thể là một bước gần nhà máy hơn spin coating?

Spin coating là công cụ tuyệt vời để nghiên cứu cell nhỏ.

Nhà nghiên cứu nhỏ vài chục microlit dung dịch lên giữa substrate rồi quay ở tốc độ cao. Lực ly tâm trải dung dịch thành màng mỏng và phần lớn dung dịch bị văng ra ngoài.

Cách này nhanh, đơn giản và lặp lại tốt trên sample nhỏ.

Nhưng nó không phải quy trình lý tưởng cho tấm lớn chạy liên tục qua dây chuyền.

Industry-scale perovskite vì thế thường được nghiên cứu bằng slot-die, blade coating, inkjet, spray hoặc vapor deposition.

PVD có một lợi thế: ngành thin-film đã có hàng chục năm kinh nghiệm với vacuum coating trên diện tích lớn. Sputtering và evaporation đã được dùng để tạo electrode, optical coating, OLED và nhiều lớp semiconductor khác.

Nếu perovskite có thể đi vào cùng logic thiết bị, đường từ lab tới manufacturing có thể bớt phụ thuộc vào việc phát minh hoàn toàn một platform máy móc mới.

“Không dung môi” không có nghĩa “không dùng hóa chất”

Cụm từ solvent-free rất dễ tạo cảm giác đây là một quy trình sạch tuyệt đối.

Không phải vậy.

Pin perovskite vẫn cần nhiều vật liệu hóa học: precursor halide, vật liệu transport layer, contact, transparent conductive oxide và các lớp interface.

Nhiều perovskite hiệu suất cao hiện còn chứa chì, nên bài toán kiểm soát vật liệu, encapsulation, recycling và end-of-life vẫn tồn tại.

Vacuum deposition cũng cần thiết bị phức tạp, bơm chân không, nguồn nhiệt hoặc plasma, điện năng và hệ thống kiểm soát deposition.

Do đó, “bỏ dung môi” nên được hiểu chính xác là loại bỏ một nhóm biến số và hazard của wet chemistry, chứ không phải biến sản xuất thành một quá trình không có footprint môi trường.

Không dùng solvent cũng chưa chắc rẻ hơn

Wet coating hấp dẫn vì về lý thuyết có thể chạy ở áp suất khí quyển, tốc độ cao và trên thiết bị tương đối đơn giản.

Vacuum deposition đi theo đánh đổi khác.

Nhà máy cần chamber, vacuum pump, source, hệ đo thickness, load-lock và quy trình bảo trì. Material utilization có thể trở thành vấn đề nếu nhiều precursor bám lên thành chamber thay vì wafer.

Với perovskite, việc bay hơi ổn định các thành phần hữu cơ cũng khó hơn bay hơi kim loại thông thường vì một số precursor có thể phân hủy khi nhiệt độ quá cao.

Vì vậy, PVD không tự động chiến thắng solution processing về chi phí.

Cuộc đua thực tế nhiều khả năng không phải “wet hay dry, chỉ một bên sống”, mà là tìm ra tổ hợp tốt nhất giữa:

độ đồng đều;
throughput;
yield;
CAPEX;
material utilization;
an toàn hóa chất;
tương thích với texture;
hiệu suất cuối cùng.

Thực tế đã có tandem all-vacuum trước công bố này

Fraunhofer ISE và Đại học Freiburg mô tả thiết bị mới là “world’s first fully solvent-free perovskite-silicon tandem solar cell”.

Tuy nhiên, claim “đầu tiên thế giới” cần được đọc thận trọng.

Ngày 19/5/2026, một nhóm từ Karlsruhe Institute of Technology, University of Valencia và các đối tác đã công bố trên Nature Energy một quy trình close-space sublimation (CSS) cho perovskite wide-bandgap.

Paper đó báo cáo tandem perovskite–silicon hai terminal đạt hiệu suất tới 24,3% trên silicon micro-textured và mô tả stack với các lớp được deposition hoàn toàn bằng các quy trình vacuum-based.

Nhóm còn ghi nhận thời gian deposition khoảng 10 phút cho absorber và nhấn mạnh CSS như một phương pháp high-throughput, solvent-free.

Điều này không làm mất giá trị công trình Freiburg, nhưng cho thấy cụm “world’s first” phụ thuộc vào cách định nghĩa process chain, loại layer và phạm vi solvent-free.

Điểm đáng chú ý của nghiên cứu mới hơn nằm ở sequential evaporation, phân tích quá trình kết tinh in situ và tác động của topography silicon – những dữ liệu có giá trị cho việc tối ưu một route sản xuất cụ thể.

Không phải kỷ lục hiệu suất – và đó chính là điều đáng chú ý

Trong lĩnh vực solar cell, headline thường được quyết định bởi efficiency.

34%, 35% hay thêm 0,3 điểm phần trăm có thể tạo cảm giác công nghệ đang tiến bộ rất nhanh.

Nhưng một cell kỷ lục chưa chắc là một sản phẩm.

Để trở thành module thương mại, công nghệ còn phải giải:

diện tích lớn;
uniformity;
yield;
encapsulation;
stability hàng nghìn giờ;
temperature cycling;
humidity;
UV;
lead containment;
tốc độ dây chuyền;
chi phí trên mỗi watt.

Một nghiên cứu giúp hiểu cách màng perovskite lớn lên trên pyramid silicon có thể không tạo headline mạnh bằng kỷ lục PCE, nhưng lại gần với loại kiến thức mà process engineer cần.

Tandem perovskite–silicon cần perovskite wide-bandgap

Trong tandem hai lớp, perovskite nằm phía trên và silicon ở dưới.

Perovskite top cell hấp thụ phần photon năng lượng cao của phổ mặt trời, trong khi ánh sáng năng lượng thấp hơn đi xuyên xuống silicon để tiếp tục tạo điện.

Để phân chia phổ hiệu quả, perovskite phía trên thường được thiết kế với bandgap rộng hơn loại tối ưu cho single-junction.

Đây lại là một bài toán khó cho fabrication.

Wide-bandgap perovskite thường cần kiểm soát rất chính xác tỷ lệ halide như iodide và bromide. Composition sai một chút có thể làm bandgap lệch khỏi thiết kế hoặc tạo phase segregation dưới ánh sáng.

Với solution processing, composition được đặt phần lớn từ chemistry của ink. Với vapor deposition, nó phụ thuộc vào flux và phản ứng giữa các precursor.

Do đó, chuyển sang solvent-free không loại bỏ nhu cầu process control; nó chỉ chuyển phần khó sang một tập biến số khác.

Textured silicon là bài test gần thực tế hơn glass phẳng

Nhiều kết quả perovskite đẹp nhất trong lịch sử được tạo trên glass hoặc substrate phẳng.

Nhưng một dây chuyền tandem muốn tận dụng hệ sinh thái silicon hiện có phải tương thích với wafer thật.

Silicon texture giúp cell dưới hấp thụ ánh sáng tốt hơn và đã được tích hợp sâu vào sản xuất công nghiệp.

Nếu phải planarize hoàn toàn wafer chỉ để layer perovskite coating được, tandem có thể mất một phần lợi ích quang học và tăng thêm bước xử lý.

Vì vậy, một deposition method có thể phủ trực tiếp lên texture là lựa chọn hấp dẫn.

Vapor deposition có lợi thế tự nhiên ở đây: phân tử hoặc species đi trong pha khí tới bề mặt, thay vì một màng chất lỏng phải chảy và khô qua đỉnh–thung lũng.

Tuy nhiên, conformality không phải tự động hoàn hảo. Hình học nguồn, góc tới, shadowing và diffusion trên bề mặt vẫn có thể làm thickness khác nhau ở các mặt của pyramid.

Đó chính là lý do cần nghiên cứu topography một cách định lượng.

Scale-up không chỉ là phóng to diện tích

Một nhầm lẫn phổ biến là nghĩ rằng nếu cell 1 cm² hoạt động, chỉ cần máy lớn hơn để làm 1 m².

Trong thin-film manufacturing, mỗi lần tăng kích thước đều phóng đại các sai số nhỏ.

Một gradient thickness 1% gần như vô hình trên sample nhỏ có thể trở thành khác biệt rõ giữa hai đầu module.

Một pinhole xác suất thấp trên 1 cm² có thể xuất hiện hàng trăm lần trên diện tích lớn.

Một chu trình sấy nhạy với vài độ C có thể khó giữ đồng nhất khi substrate rộng hơn.

Do đó, scalable process không chỉ là quá trình “có thể phủ diện tích lớn”, mà phải tạo ra diện tích lớn với phân bố tính chất đủ hẹp để yield còn kinh tế.

Đây là nơi solvent-free vacuum processing có cơ hội thể hiện lợi thế kiểm soát.

Nhưng wet coating cũng đang tiến rất nhanh

Không nên đọc nghiên cứu này như dấu chấm hết cho perovskite solution processing.

Năm 2026, nhiều nhóm đã báo cáo blade coating, slot-die coating và các solvent system mới có thể tạo cell hiệu suất cao trong không khí, thậm chí ở độ ẩm lớn.

Một công trình trên Nature Communications tháng 6/2026 chẳng hạn đã dùng hệ dung môi ít hút ẩm để blade-coat cả SAM, perovskite và passivation layer trong ambient air, đạt certified efficiency 26,1% trên device nhỏ.

Điều đó cho thấy wet route vẫn có lợi thế hiệu suất và tốc độ đổi mới rất mạnh.

Câu hỏi công nghiệp sẽ là route nào duy trì được chất lượng đó khi chuyển sang module lớn, throughput cao và hàng triệu đơn vị sản xuất.

Có thể tương lai là dây chuyền hybrid

Một khả năng rất thực tế là tandem thương mại không hoàn toàn “ướt” hoặc hoàn toàn “khô”.

Một số layer có thể phù hợp với sputtering hoặc evaporation. Layer khác lại hợp với slot-die. Passivation có thể dùng một route riêng. Electrode dùng process vốn đã phổ biến trong ngành PV.

Ngay cả trong perovskite absorber, nhiều nhóm đang nghiên cứu hybrid deposition: bay hơi inorganic scaffold trước, rồi đưa organic precursor vào bằng coating hoặc vapor conversion.

Ưu điểm của kiến trúc hybrid là mỗi step được chọn theo điểm mạnh của nó thay vì ép toàn bộ stack dùng một platform duy nhất.

Nhưng nghiên cứu “fully solvent-free” vẫn quan trọng vì nó chứng minh một cực của design space: nếu muốn bỏ hoàn toàn wet chemistry ở top cell, điều đó có thể làm được.

Điều cần theo dõi tiếp theo không phải chỉ là PCE

Để biết route solvent-free có thực sự tiến gần commercialization hay không, các công bố tiếp theo nên được đọc qua một nhóm chỉ số rộng hơn:

area: cell và module lớn tới đâu;
deposition rate: mỗi lớp mất bao lâu;
material utilization: bao nhiêu precursor thực sự nằm trên sản phẩm;
uniformity: thickness và composition thay đổi bao nhiêu trên wafer;
yield: tỷ lệ device đạt specification;
stability: giữ được bao nhiêu hiệu suất sau aging;
vacuum uptime: chamber chạy bao lâu trước khi phải vệ sinh;
cost: CAPEX và cost per watt;
compatibility: có chạy được trên wafer silicon công nghiệp hiện hành hay không.

Nếu những con số này không cải thiện, một cell solvent-free đẹp vẫn chỉ là một demonstration trong lab.

“Rời phòng lab” là bài toán quy trình nhiều hơn bài toán vật liệu

Perovskite đã đi qua giai đoạn phải chứng minh rằng vật liệu này có thể chuyển ánh sáng thành điện hiệu quả.

Phần ngày càng quan trọng là engineering.

Làm sao phủ nó nhanh?

Làm sao lớp film giống nhau từ wafer đầu tiên tới wafer thứ một triệu?

Làm sao perovskite bám lên texture silicon mà không pinhole?

Làm sao ngăn composition drift?

Làm sao encapsulate chì?

Làm sao cell sống đủ lâu để bảo hành module hàng chục năm?

Ở giai đoạn này, một thay đổi tưởng như ít hào nhoáng – bỏ một nhóm dung môi khỏi process chain – có thể giá trị hơn việc đẩy efficiency thêm vài phần mười điểm trên một device cực nhỏ.

Một bước nhỏ, nhưng đúng hướng của manufacturing

Perovskite thường được mô tả là công nghệ solar “dễ sản xuất” vì có thể solution-process ở nhiệt độ thấp.

Thực tế sản xuất hàng loạt phức tạp hơn nhiều.

Dễ làm một màng không đồng nghĩa dễ làm một tỷ màng giống nhau.

Nghiên cứu từ Freiburg cho thấy một hướng khác: tận dụng logic của thin-film vacuum manufacturing để tạo perovskite mà không cần một pha lỏng trung gian.

Nó không chứng minh rằng PVD sẽ thắng slot-die. Nó cũng không biến perovskite thành sản phẩm thương mại ngay lập tức.

Nhưng nó giải đúng loại câu hỏi mà công nghệ phải đối mặt khi rời bàn spin coater: bề mặt thật, process window thật, layer stack thật và khả năng kiểm soát sự kết tinh theo thời gian.

Trong cuộc đua perovskite–silicon tandem, những bước như vậy có thể không tạo kỷ lục đẹp trên bảng xếp hạng.

Nhưng đó thường là những bước quyết định liệu một vật liệu xuất sắc có bao giờ trở thành một sản phẩm được sản xuất hàng loạt hay không.