🔬 materials science

Theoretical investigation of the photovoltaic properties of MgSnN $_{2}$ for multi-junction solar cells

यह अध्ययन यह प्रदर्शित करने के लिए डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी और स्पेक्ट्रोस्कोपिक लिमिटेड मैक्सिमम एफिशिएंसी गणनाओं का उपयोग करता है कि ऑर्थोरोम्बिक MgSnN $_2$ यौगिक, जिसका बैंडगैप 2.45 eV है, एक आशाजनक गैर-विषाक्त फोटोवोल्टिक सामग्री है जो सिंगल-जंक्शन थिन फिल्म में 13.17% दक्षता और मल्टी-जंक्शन टैंडम कॉन्फ़िगरेशन में 22.42% तक दक्षता प्राप्त करने में सक्षम है।

मूल लेखक: Issam Mahraj, Mossab Oublal, Andrzej Ptok

प्रकाशित 2026-03-23

📖 5 मिनट में पढ़ें🧠 गहराई से पढ़ें

CC BY 4.0

मूल लेखक: Issam Mahraj, Mossab Oublal, Andrzej Ptok

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आप एक परम (ultimate) सोलर पैनल बनाने की कोशिश कर रहे हैं। आप चाहते हैं कि यह सस्ता हो, गैर-विषैला (धरती और लोगों के लिए सुरक्षित) हो, और सूरज की रोशनी को बिजली में बदलने में अविश्वसनीय रूप से कुशल हो। लंबे समय से, सबसे अच्छे सामग्रियां महंगी थीं या दुर्लभ तत्वों से बनी थीं। यह शोध पत्र एक नए "हीरो" मटेरियल जिसे MgSnN2 (मैग्नीशियम टिन नाइट्राइड) कहा जाता है, का परिचय देता है जो एक हरित भविष्य की कुंजी हो सकता है।

यहाँ इस सामग्री की कहानी है, जिसे सरल तरीके से रोजमर्रा के उदाहरणों के साथ समझाया गया है।

1. सामग्री: एक "लेगो" रूपांतरण

इस सामग्री की क्रिस्टल संरचना को लेगो ब्रिक्स (Lego bricks) के एक सेट की तरह समझें।

पुराना तरीका: अधिकांश सौर सामग्रियां एक मानक हेक्सागोनल टावर (जिसे वर्टज़ाइट संरचना कहा जाता है) की तरह बनी होती हैं।
नया तरीका: वैज्ञानिकों ने उस मानक टावर को लिया और हर दो "ग्रुप 3" ब्रिक्स को एक "ग्रुप 2" ब्रिक और एक "ग्रुप 4" ब्रिक से बदल दिया।
परिणाम: यह एक नई, थोड़ी अलग आकृति बनाता है (एक ऑर्थोरोम्बिक संरचना)। यह एक हेक्सागोनल टावर को थोड़ा दबाकर आयताकार प्रिज्म में बदलने जैसा है। यह नई आकृति स्थिर, मजबूत और पृथ्वी की पपड़ी (crust) में प्रचुर मात्रा में मौजूद तत्वों (मैग्नीशियम, टिन और नाइट्रोजन) से बनी है, जो इसे सस्ता और सुरक्षित बनाती है।

2. ऊर्जा अंतराल: "दरवाजे" की समस्या

बिजली बनाने के लिए, सूरज की रोशनी को इलेक्ट्रॉन्स को ढीला करने की आवश्यकता होती है। लेकिन एक पेच है: इस सामग्री का एक "दरवाजा" (जिसे बैंडगैप कहा जाता है) है जिसे इलेक्ट्रॉन को पार करना होगा।

बहुत छोटा: यदि दरवाजा बहुत नीचा है, तो इलेक्ट्रॉन आसानी से कूद जाएगा लेकिन ऊर्जा को गर्मी के रूप में बर्बाद कर देगा।
बहुत ऊँचा: यदि दरवाजा बहुत ऊँचा है, तो इलेक्ट्रॉन कूद ही नहीं पाएगा, और रोशनी सीधे निकल जाएगी।
सही संतुलन (Sweet Spot): MgSnN2 के दरवाजे की ऊंचाई 2.45 eV है। यह एक "गोल्डिलॉक्स" (बिल्कुल सही) ऊंचाई है। यह उच्च-ऊर्जा वाली नीली और पराबैंगनी (UV) रोशनी को पकड़ने में बहुत कुशल होने के लिए पर्याप्त ऊँची है, लेकिन इलेक्ट्रॉन्स को गुजरने देने के लिए पर्याप्त नीची भी है।

3. "सुपर-फिल्टर" सादृश्य (सौर ऊर्जा के लिए यह क्यों महान है)

कल्पना कीजिए कि सूरज की रोशनी एक विशाल नदी है जो एक बांध की ओर बह रही है।

मानक सौर सेल: ये एक अकेले जाल की तरह हैं जो पूरी नदी को पकड़ने की कोशिश करते हैं। वे बड़ी लहरों (लाल रोशनी) को अच्छी तरह से पकड़ते हैं, लेकिन तेज, छोटी लहरों (नीली/UV रोशनी) को ऊपर से उछल जाने देते हैं, जिससे उनकी ऊर्जा बर्बाद हो जाती है।
MgSnN2 की सुपरपावर: अपने विशिष्ट दरवाजे की ऊंचाई के कारण, MgSnN2 एक विशेष फिल्टर की तरह काम करता है जो तेज, उच्च-ऊर्जा वाली लहरों (नीली और UV रोशनी) को पकड़ने के लिए एकदम सही है, जिन्हें अन्य सौर सेल छोड़ देते हैं।

4. "टैंडम" रणनीति: एक रिले रेस

शोध पत्र में पाया गया कि हालांकि MgSnN2 अद्भुत है, लेकिन यह बहुत अधिक "पिकी" (चुनने वाला) है। यह लाल रोशनी (नदी में धीमी, गहरी लहरों) को अनदेखा कर देता है। यदि आप इसे अकेले उपयोग करते हैं, तो यह अच्छा है, लेकिन पूर्ण नहीं।

समाधान: रिले रेस (मल्टी-जंक्शन सेल)
एक अकेले धावक के बजाय, वैज्ञानिकों ने एक रिले टीम बनाई:

धावक 1 (ऊपरी परत): MgSnN2। यह सबसे आगे खड़ा होता है, सारी तेज, उच्च-ऊर्जा वाली नीली रोशनी को पकड़ता है।
धावक 2 (निचली परत): एक अलग सामग्री (CuInS2) इसके नीचे बैठती है। यह उस लाल रोशनी को पकड़ती है जो ऊपरी परत से सीधे निकल गई थी।

परिणाम:

एकल धावक (केवल MgSnN2): ऊर्जा का लगभग 12.8% पकड़ा।
रिले टीम (MgSnN2 + निचली परत): ऊर्जा का 22.4% पकड़ा!
उन्हें एक के ऊपर एक रखकर, उन्होंने केवल उनकी शक्तियों को जोड़ा ही नहीं; बल्कि उनकी दक्षता को कई गुना बढ़ा दिया। यह एक ऐसे जाल की तरह है जो ऊपर की तेज मछलियों को और नीचे की धीमी मछलियों को पकड़ता है, जिससे कुछ भी बर्बाद नहीं होता।

5. "ट्रैफिक" सादृश्य (इलेक्ट्रॉन की गति)

सामग्री के भीतर, बिजली उत्पन्न करने के लिए इलेक्ट्रॉन्स को स्वतंत्र रूप से घूमना चाहिए।

अच्छी खबर: इलेक्ट्रॉन्स के लिए "सड़कें" (कंडक्शन बैंड) चौड़ी और चिकनी हैं, जैसे एक सुपरहाइवे। इलेक्ट्रॉन आसानी से तेजी से दौड़ते हैं।
बुरी खबर: होल्स (गायब इलेक्ट्रॉन्स) के लिए "सड़कें" थोड़ी ऊबड़-खाबड़ और संकरी हैं, जैसे एक ग्रामीण रास्ता।
निष्कर्ष: ऊबड़-खाबड़ रास्तों के बावजूद, यह सामग्री प्रकाश को अवशोषित करने में इतनी अच्छी है और "सुपरहाइवे" इतना कुशल है कि समग्र ट्रैफिक प्रवाह उत्कृष्ट है, जिससे बहुत उच्च "फिल फैक्टर" (यह मापने का तरीका कि बैटरी कितनी अच्छी तरह चार्ज होती है) प्राप्त होता है।

सारांश: हमें इसकी परवाह क्यों करनी चाहिए?

यह शोध पत्र एक सैद्धांतिक ब्लूप्रिंट (कंप्यूटर सिमुलेशन) है जो दिखाता है कि MgSnN2 अगली पीढ़ी के सौर पैनलों के लिए ऊपरी परत के रूप में एक शानदार उम्मीदवार है।

यह सस्ता है: यह दुर्लभ धातुओं के बजाय सामान्य मिट्टी और चट्टानों से बना है।
यह सुरक्षित है: गैर-विषैला।
यह कुशल है: जब इसे एक "सैंडविच" (टैंडम सेल) में साथी सामग्री के साथ जोड़ा जाता है, तो यह वर्तमान सौर तकनीक की दक्षता को संभावित रूप से दोगुना कर सकता है।

सोचिए कि MgSnN2 एक एकल प्रदर्शन (solo act) नहीं है, बल्कि एक फुटबॉल टीम के स्टार क्वार्टरबैक की तरह है। अकेले, यह अच्छा है। लेकिन जब यह एक समन्वित टीम (मल्टी-जंक्शन सेल) में खेलता है, तो यह रिकॉर्ड तोड़ स्कोर के साथ पूरी टीम को जीतने में मदद करता है।

यहाँ "मल्टी-जंक्शन सौर सेलों के लिए MgSnN2 के फोटोवोल्टिक गुणों का सैद्धांतिक अन्वेदन" नामक शोध पत्र का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

फोटोवोल्टिक (PV) अनुप्रयोगों के लिए कम लागत वाली, गैर-विषाक्त और प्रचुर मात्रा में उपलब्ध सामग्रियों की खोज सौर ऊर्जा के सतत विकास के लिए महत्वपूर्ण है। जबकि III-N अर्धचालक (जैसे GaN) अच्छी तरह से अध्ययन किए गए हैं, II-IV-N2 के सामान्य सूत्र वाले हेट्रोवैलेंट टर्नरी नाइट्राइड सामग्रियाँ (विशेष रूप से MgSnN2) अपने ट्यूनेबल बैंडगैप और पूरक गुणों के कारण एक आशाजनक विकल्प प्रदान करती हैं। हालाँकि, MgSnN2 के मौलिक भौतिक गुणों, विशेष रूप से इसकी इलेक्ट्रॉनिक संरचना, ऑप्टिकल रिस्पॉन्स और उच्च-दक्षता वाले मल्टी-जंक्शन सौर सेलों के लिए इसकी विशिष्ट उपयुक्तता के संबंध में व्यापक अध्ययनों की कमी है। इसके अतिरिक्त, सटीक क्रिस्टल संरचना और बैंडगैप पर कैटियन ऑर्डरिंग (cation ordering) का प्रभाव निरंतर जांच के विषय बने हुए हैं।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

यह अध्ययन डिवाइस-स्तर के सिमुलेशन के साथ डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी (DFT) को जोड़ते हुए एक बहुआयामी कम्प्यूटेशनल दृष्टिकोण का उपयोग करता है:

इलेक्ट्रॉनिक संरचना गणना (Electronic Structure Calculations):
- कोड: Wien2k (FP-LAPW विधि)।
- फंक्शनल्स: जबकि संरचनात्मक अनुकूलन के लिए LDA और GGA-PBE का उपयोग किया गया था, इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल गुणों के लिए संशोधित बेके-जॉनसन (mBJ) सेमीलोकल एक्सचेंज फंक्शनल का उपयोग किया गया था। यह चुनाव इसलिए किया गया क्योंकि मानक DFT फंक्शनल्स (LDA/GGA) आमतौर पर बैंडगैप को कम आंकते हैं, जबकि mBJ कम लागत पर उच्च सटीकता प्रदान करता है जो गणनात्मक रूप से महंगे GW तरीकों के तुलनीय है।
- पैरामीटर्स: वॉल्यूम ऑप्टिमाइज़ेशन के लिए $17\times17\times17$ k-ग्रिड और सेल्फ-कंसिस्टेंट फील्ड (SCF) गणनाओं के लिए $21\times21\times21$ का उपयोग किया गया।
ऑप्टिकल गुण (Optical Properties):
- इंडिपेंडेंट पार्टिकल एप्रोक्सिमेशन (IPA) का उपयोग करके कॉम्प्लेक्स डाइइलेक्ट्रिक फंक्शन ( $\epsilon(\omega)$ ) की गणना की गई।
- डाइइलेक्ट्रिक फंक्शन से अवशोषण गुणांक ( $\alpha$ ), अपवर्तनांक ( $n$ ), और परावर्तन ( $r$ ) प्राप्त किए गए।
फोटोवोल्टिक दक्षता (SLME):
- सिंगल-जंक्शन डिवाइस की सैद्धांतिक अधिकतम दक्षता की भविष्यवाणी करने के लिए स्पेक्ट्रोस्कोपिक लिमिटेड मैक्सिमम एफिशिएंसी (SLME) मॉडल का उपयोग किया गया। यह मॉडल AM1.5G सौर स्पेक्ट्रा के तहत अवशोषण स्पेक्ट्रम, बैंडगैप और पुनर्संयोजन विशेषताओं (रेडिएटिव और नॉन-रेडिएटिव) को ध्यान में रखता है।
डिवाइस सिमुलेशन (Device Simulation):
- एकल-जंक्शन सौर सेल (FTO/TiO2/MgSnN2/Cu2O/Au) का अनुकरण करने के लिए SCAPS-1D सॉफ्टवेयर का उपयोग करके SLME परिणामों को सत्यापित किया गया।
- MgSnN2 टॉप सेल को CuInS2 बॉटम सेल के साथ सीरीज में जोड़कर एक टैंडम (मल्टी-जंक्शन) डिवाइस का सिमुलेशन किया गया, जिसमें करंट डेंसिटी को मिलाने के लिए लेयर की मोटाई को समायोजित किया गया।

3. मुख्य योगदान (Key Contributions)

क्रिस्टल संरचना का सत्यापन: MgSnN2 के लिए ऑर्थोरोम्बिक $Pna2_1$ स्पेस ग्रुप की स्थिरता की पुष्टि की गई, जिसे वर्ट्ज़ाइट संरचना से व्युत्पन्न किया गया है जहाँ समूह-III परमाणुओं को बारी-बारी से समूह-II (Mg) और समूह-IV (Sn) परमाणुओं द्वारा प्रतिस्थापित किया गया है।
सटीक बैंडगैप भविष्यवाणी: mBJ फंक्शनल का उपयोग करके 2.45 eV का एक विश्वसनीय बैंडगैप मान प्रदान किया गया, जो LDA (1.26 eV) और GGA (1.31 eV) में पाई गई कमियों को सुधारता है।
व्यापक डिवाइस मॉडलिंग: सामग्री गुणों से आगे बढ़कर वास्तविक डिवाइस प्रदर्शन का सिमुलेशन किया गया, जिसमें एक सिंगल-जंक्शन प्रोटोटाइप का निर्माण और वाइड-बैंडगैप सामग्रियों की सीमाओं को दूर करने के लिए एक टैंडम कॉन्फ़िगरेशन का डिज़ाइन शामिल है।
डिसऑर्डर विश्लेषण: बैंडगैप को और अधिक ट्यून करने और निम्न-ऊर्जा अवशोषण को बढ़ाने के लिए कैटियन डिसऑर्डर (cation disorder) की क्षमता को रेखांकित किया गया।

4. मुख्य परिणाम (Key Results)

A. संरचनात्मक और इलेक्ट्रॉनिक गुण

क्रिस्टल संरचना: अनुकूलित लैटिस स्थिरांक ( $a \approx 5.97$ Å, $b \approx 6.95$ Å, $c \approx 5.53$ Å) पिछले सैद्धांतिक अध्ययनों के साथ अच्छी तरह मेल खाते हैं। संरचना हेक्सागोनैलिटी ( $\Delta_w \approx 0.71\%$ ) से थोड़ा विचलन प्रदर्शित करती है।
बैंड संरचना: MgSnN2 एक डायरेक्ट बैंडगैप सेमीकंडक्टर है जिसका वैलेंस बैंड मैक्सिमम (VBM) और कंडक्शन बैंड मिनिमम (CBM) दोनों $\Gamma$ $Γ$ पॉइंट पर स्थित हैं।
- VBM: N $p$ -स्टेट्स द्वारा प्रभावी है जिसमें Sn $p$ -स्टेट्स का महत्वपूर्ण योगदान (p-p कपलिंग) है।
- CBM: Sn $s$ -स्टेट्स और N $p$ -स्टेट्स से बना है, जो $sp^3$ हाइब्रिडाइजेशन को दर्शाता है।
- इफेक्टिव मास: इलेक्ट्रॉन छोटे, आइसोट्रोपिक इफेक्टिव मास प्रदर्शित करते हैं (परिवहन के लिए अनुकूल), जबकि होल (holes) बड़े, एनिसोट्रोपिक मास रखते हैं।
बैंडगैप: mBJ-कैलकुलेटेड बैंडगैप 2.45 eV है, जो इसे दृश्य-से-UV रेंज में रखता है।

B. ऑप्टिकल गुण

अवशोषण (Absorption): सामग्री दृश्य और UV रेंज में उच्च अवशोषण गुणांक ( $\sim 10^5$ cm $^{-1}$ ) प्रदर्शित करती है। अवशोषण का प्रारंभ (onset) 2.45 eV बैंडगैप के अनुरूप है।
अपवर्तनांक (Refractive Index): स्थिर अपवर्तनांक 2.01 की गणना की गई है, जो प्रायोगिक रेंज (1.9–2.3) के अनुरूप है।
परावर्तन (Reflectivity): दृश्य रेंज में कम परावर्तन ( $<0.15\%$ ) कुशल लाइट ट्रैपिंग का सुझाव देता है।

C. फोटोवोल्टिक प्रदर्शन

सिंगल-जंक्शन (SLME):
- 2 $\mu$ m की फिल्म मोटाई के लिए, कमरे के तापमान (298.15 K) पर सैद्धांतिक अधिकतम दक्षता 13.17% है।
- मुख्य पैरामीटर्स: $V_{oc} = 2.09$ V, $J_{sc} = 67.2$ A/m $^2$ , फिल फैक्टर (FF) = 0.937।
- नोट: उच्च $V_{oc}$ वाइड बैंडगैप के कारण है, लेकिन $J_{sc}$ UV रेंज में अवशोषण किनारे (absorption edge) के कारण सीमित है।
सिंगल-जंक्शन (SCAPS सिमुलेशन):
- सिम्युलेटेड डिवाइस दक्षता: 12.80%, जो SLME भविष्यवाणी के काफी करीब है।
- पैरामीटर्स: $V_{oc} = 1.348$ V, $J_{sc} = 113.23$ A/m $^2$ । (सिमुलेशन में SLME की तुलना में कम $V_{oc}$ इंटरफेशियल डिफेक्ट्स और नॉन-आइडियल ट्रांसपोर्ट लेयर्स के कारण है)।
मल्टी-जंक्शन (टैंडम) सिमुलेशन:
- एक टैंडम डिवाइस बनाया गया जिसमें MgSnN2 को टॉप सेल और CuInS2 (1.216 eV) को बॉटम सेल के रूप में रखा गया।
- परिणाम: दक्षता सिंगल जंक्शन (12.80%) से बढ़कर टैंडम कॉन्फ़िगरेशन में 22.42% हो गई।
- टैंडम कॉन्फ़िगरेशन ने वाइड-बैंडगैप टॉप सेल के उच्च वोल्टेज को नैरो-बैंडगैप बॉटम सेल के उच्च करंट के साथ सफलतापूर्वक संयोजित किया।

5. महत्व और निष्कर्ष (Significance and Conclusion)

यह अध्ययन MgSnN2 को मल्टी-जंक्शन सौर आर्किटेक्चर में टॉप सब-सेल के लिए एक अत्यधिक आशाजनक उम्मीदवार के रूप में स्थापित करता है। इसका वाइड डायरेक्ट बैंडगैप (2.45 eV) और उच्च अवशोषण गुणांक इसे उच्च-ऊर्जा फोटॉनों को हार्वेस्ट करने के लिए आदर्श बनाता है, जबकि निचले स्तर के फोटॉनों को बॉटम सेल तक गुजरने देने की अनुमति देता है।

शोध यह प्रदर्शित करता है कि जबकि सिंगल-जंक्शन MgSnN2 सेल अपने वाइड बैंडगैप (जो इन्फ्रारेड अवशोषण को प्रतिबंधित करता है) के कारण सीमित हैं, उन्हें टैंडम कॉन्फ़िगरेशन में एकीकृत करने से दक्षता नाटकीय रूप से बढ़कर 22% से अधिक हो जाती है। इसके अलावा, पेपर यह सुझाव देता है कि कैटियन डिसऑर्डर को पेश करने से बैंडगैप को और कम किया जा सकता है, जिससे विशिष्ट स्पेक्ट्रल क्षेत्रों के लिए सामग्री को अनुकूलित किया जा सकता है। ये निष्कर्ष MgSnN2-आधारित सौर सेलों के प्रयोगात्मक संश्लेषण और डिवाइस फैब्रिकेशन के लिए एक मजबूत सैद्धांतिक आधार प्रदान करते हैं, जो कम लागत वाली, उच्च-दक्षता और गैर-विषाक्त फोटोवोल्टिक तकनीकों की ओर एक मार्ग प्रशस्त करते हैं।