Breaking the 800 mV open-circuit voltage barrier in antimony sulfide photovoltaics
साइट्रेट लिगैंड एडिटिव्स के साथ केमिकल बाथ डिपोजिशन विकास तंत्र को नियंत्रित करके ग्रेन बाउंड्री घनत्व और डीप ट्रैप सांद्रता को कम करते हुए, शोधकर्ताओं ने एंटीमनी सल्फाइड फोटोवोल्टिक्स में 800 mV की ओपन-सर्किट वोल्टेज बाधा को पार करने में सफलता प्राप्त की और 824 mV का रिकॉर्ड बनाया, जो यह प्रदर्शित करता है कि डिवाइस का प्रदर्शन आंतरिक स्व-ट्रैपिंग (self-trapping) के बजाय दोष इंजीनियरिंग (defect engineering) द्वारा सीमित होता है।
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सौर सेल नवीकरणीय ऊर्जा परिवर्तन के कार्यबल हैं, जो सूर्य के प्रकाश को पकड़ते हैं और उसे बिजली में बदलते हैं। दशकों से, सबसे कुशल पैनल सिलिकॉन पर निर्भर रहे हैं, लेकिन वैज्ञानिक लगातार ऐसी नई सामग्रियों की खोज कर रहे हैं जो बनाने में सस्ती हों, कम विषाक्त हों, और लचीली सतहों पर प्रिंट करने में सक्षम हों। सबसे आशाजनक उम्मीदवारों में से एक एंटीमनी और सल्फर से बने यौगिक हैं, जिन्हें एंटीमनी सल्फाइड के रूप में जाना जाता है। ये सामग्रियां प्रचुर मात्रा में उपलब्ध, गैर-विषाक्त और प्रकाश को असाधारण रूप से अवशोषित करने वाली हैं। हालाँकि, अपनी क्षमता के बावजूद, वे एक निराशाजनक बाधा से टकरा गए हैं। वर्षों से, इस सामग्री से बने सर्वश्रेष्ठ सौर सेल लगभग 800 मिलीवोल्ट से अधिक का विद्युत दबाव, जिसे वोल्टेज कहा जाता है, उत्पन्न नहीं कर सके। इस सीमा ने उनकी दक्षता को रोक रखा है, जिससे वे अपने सैद्धांतिक स्तर से बहुत नीचे रह गए हैं और स्थापित तकनीकों के साथ प्रतिस्पर्धी बनने में पीछे छूट गए हैं।
वैज्ञानिक समुदाय लंबे समय से इस बात पर बहस करता रहा है कि यह वोल्टेज सीमा क्यों मौजूद है। एक प्रचलित सिद्धांत ने सुझाव दिया कि सामग्री स्वयं मौलिक रूप से त्रुटिपूर्ण थी। यह प्रस्तावित किया गया था कि जब प्रकाश एंटीमनी सल्फाइड से टकराता है, तो ऊर्जा क्रिस्टल संरचना के भीतर इस तरह फंस जाती है कि वह बिजली में बदलने से पहले ही बर्बाद हो जाती है। इस विचार को, जिसे 'सेल्फ-ट्रैपिंग' (स्व-अवरोध) कहा जाता है, ने संकेत दिया कि भले ही सामग्री को कितनी भी पूर्णता से बनाया जाए, वोल्टेज कभी भी 800 मिलीवोल्ट की बाधा को पार नहीं कर पाएगा क्योंकि यह हानि परमाणुओं के भौतिकी में ही निहित थी। यदि यह सच होता, तो आगे का रास्ता इस सामग्री को छोड़ने या इसकी सीमाओं को स्वीकार करने का होता। हालाँकि, एक प्रतिस्पर्धी दृष्टिकोण ने सुझाव दिया कि समस्या सामग्री स्वयं नहीं थी, बल्कि फिल्मों के निर्माण के तरीके में खामियां थीं। यदि वोल्टेज की हानि दोषों के कारण हुई थी—यानी क्रिस्टल संरचना में सूक्ष्म त्रुटियां—तो सावधानीपूर्वक इंजीनियरिंग के माध्यम से इसे ठीक किया जा सकता था और प्रदर्शन को ऊपर बढ़ाया जा सकता था।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस बाधा को तोड़कर इस बहस को अब सुलझा लिया है। उन्होंने सफलतापूर्वक एंटीमनी सल्फाइड सौर सेल बनाए जो 824 मिलीवोल्ट का वोल्टेज उत्पन्न करते हैं, जिसने इस प्रकार की तकनीक के लिए एक नया रिकॉर्ड बनाया है। उनका कार्य यह प्रदर्शित करता है कि सामग्री मौलिक रूप से खराब नहीं है; बल्कि, इसका प्रदर्शन इसके विकसित होने के तरीके के कारण बाधित था। पतली फिल्मों को जमा करने के लिए उपयोग किए जाने वाले रासायनिक नुस्खे को बदलकर, वैज्ञानिकों ने दोषों और ग्रेन बाउंड्रीज़ (अनाज सीमाओं)—जो सूक्ष्म क्रिस्टल के मिलने वाली सीम या जोड़ हैं—की संख्या को कम कर दिया। इन खामियों में कमी ने सौर सेल को अपने सैद्धांतिक अधिकतम के बहुत करीब संचालित करने की अनुमति दी, जिससे यह सिद्ध हुआ कि वोल्टेज की सीमा एक भौतिक नियम नहीं, बल्कि एक इंजीनियरिंग चुनौती थी।
यह सफलता 'केमिकल बाथ डिपोजिशन' नामक एक तकनीक से आई, जो एक विधि है जहाँ एक सबस्ट्रेट (आधार) को वांछित सामग्री की पतली फिल्म उगाने के लिए एक घोल में डुबोया जाता है। शोधकर्ताओं ने समाधान में एक विशिष्ट घटक जोड़ा, जो 'साइट्रेट' नामक एक यौगिक है। इस योज्य (additive) ने एक नियामक के रूप में कार्य किया, जिसने प्रतिक्रिया को धीमा कर दिया और क्रिस्टल के बनने के तरीके को बदल दिया। इस योज्य के बिना, क्रिस्टल अराजक तरीके से बढ़ते थे, जिससे कई छोटे दानों के बीच अनगिनत सीमाएं बनती थीं। ये सीमाएं समस्यात्मक होती हैं क्योंकि ये जाल के रूप में कार्य करती हैं जहाँ इलेक्ट्रॉन और होल—वे चार्ज वाहक जो बिजली पैदा करते हैं—फंस सकते हैं और पुनर्संयोजित होकर अपनी ऊर्जा को ऊष्मा के रूप में खो सकते हैं। साइट्रेट को पेश करके, शोधकर्ताओं ने क्रिस्टल को बड़े और अधिक व्यवस्थित रूप से बढ़ने के लिए प्रोत्साहित किया, जिससे प्रभावी रूप से फिल्म के आंतरिक परिदृश्य को सुगम बनाया जा सका।
इस परिवर्तन के परिणाम नाटकीय थे। इन ग्रेन बाउंड्रीज़ का घनत्व लगभग आधा हो गया, जो मानक फिल्मों में 1,100 प्रति वर्ग मिलीमीटर से गिरकर बेहतर फिल्मों में लगभग 585 रह गया। इस संरचनात्मक सुधार का विद्युत प्रदर्शन पर सीधा प्रभाव पड़ा। शोधकर्ताओं ने उपकरणों के भीतर देखने और उन विशिष्ट प्रकार के दोषों की पहचान करने के लिए 'डीप-लेवल ट्रांजिएंट स्पेक्ट्रोस्कोपी' नामक एक संवेदनशील तकनीक का उपयोग किया, जो वोल्टेज हानि का कारण बन रहे थे। उन्होंने पाया कि दो मुख्य प्रकार के 'डीप ट्रैप्स' (गहरे जाल) थे, जो ऊर्जा अवस्थाएं हैं जो चार्ज वाहकों को पकड़ लेती हैं और उन्हें करंट में योगदान देने से रोकती हैं। विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से, उन्होंने निर्धारित किया कि ये जाल संभवतः लुप्त सल्फर परमाणुओं या गलत स्थानों पर बैठे एंटीमनी परमाणुओं के कारण थे।
इन दोषों की संख्या को कम करके, नए सौर सेल ने चार्ज को संभालने के तरीके में महत्वपूर्ण सुधार दिखाया। जैसे-जैसे साइट्रेट योज्य की सांद्रता को अनुकूलित किया गया, वोल्टेज लगातार बढ़ता गया और 824 मिलीवोल्ट पर उच्चतम स्तर पर पहुँचा। यह मान केवल एक छोटी सी वृद्धि नहीं है; यह 800 मिलीवोल्ट की उस बाधा का निर्णायक उल्लंघन है जो अटूट प्रतीत होती थी। शोधकर्ताओं ने यह भी पुष्टि की कि सामग्री स्वयं 'सेल्फ-ट्रैपिंग' प्रभाव से ग्रस्त नहीं थी, जैसा कि कुछ लोगों ने आशंका जताई थी। यदि सेल्फ-ट्रैपिंग प्राथमिक अपराधी होता, तो फिल्म को कितना भी पूर्ण बनाया जाए, वोल्टेज स्थिर रहता। यह तथ्य कि वे केवल दोषों को साफ करके वोल्टेज को ऊपर ले जाने में सक्षम थे, यह सिद्ध करता है कि सामग्री बहुत उच्च प्रदर्शन करने में सक्षम है।
इस निष्कर्ष के निहितार्थ केवल एक संख्या तक सीमित नहीं हैं। यह अध्ययन एंटीमनी सल्फाइड सौर सेल को बेहतर बनाने के लिए एक स्पष्ट मार्गदर्शिका प्रदान करता है। यह दिखाता है कि उच्च दक्षता का मार्ग 'डिफेक्ट इंजीनियरिंग' (दोष इंजीनियरिंग) में निहित है: यानी खामियों को न्यूनतम करने के लिए विकास प्रक्रिया को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करना। नए सेल उत्कृष्ट स्थिरता भी बनाए रखते हैं, जो सामान्य परिस्थितियों में एक महीने के भंडारण के बाद भी अपनी अधिकांश दक्षता बनाए रखते हैं, जो व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता है। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने इन सेल्स का इनडोर लाइटिंग स्थितियों के तहत परीक्षण किया, जहाँ उन्होंने लगभग 19 प्रतिशत की दक्षता प्राप्त की, जो उन्हें इनडोर लाइट से चलने वाले बढ़ते हुए निम्न-शक्ति वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को बिजली देने के लिए एक मजबूत उम्मीदवार बनाता है।
यह कार्य फोटोवोल्टिक्स के क्षेत्र में एक लंबे समय से चली आ रही अनिश्चितता को हल करता है। यह बातचीत को इस विचार से दूर ले जाता है कि एंटीमनी सल्फाइड एक ऐसी सामग्री है जिसमें एक अंतर्निहित, अपरिवर्तनीय दोष है। इसके बजाय, यह पुष्टि करता है कि सीमाएं विनिर्माण प्रक्रिया के कारण थीं। दोषों को कम करके वोल्टेज को बढ़ाया जा सकता है, यह प्रदर्शित करके शोधकर्ताओं ने और अधिक अनुकूलन के द्वार खोल दिए हैं। आगे का रास्ता अब स्पष्ट है: विकास विधियों को और अधिक परिष्कृत करना जारी रखें ताकि दोषों को और कम किया जा सके, और इन सौर सेल की दक्षता उनके सैद्धांतिक स्तर की ओर बढ़ती रहेगी। बाधा भौतिकी की दीवार नहीं थी, बल्कि रसायन विज्ञान की एक बाधा थी, और इसे पार कर लिया गया है।
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