🔬 materials science

What enables GaOx as hole transport layer for a 16 percent 1.0 eV CuInSe2 Bottom Cells with VOC above 550 mV?

यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि को-इवैपोरेशन के दौरान आयन विनिमय के माध्यम से निर्मित एक सुचालक, आंशिक रूप से क्रिस्टलीय GaOx होल ट्रांसपोर्ट लेयर, जिसके लिए अतिरिक्त Cu, Na या भारी एल्कलियों की आवश्यकता नहीं होती है, एक शुद्ध CuInSe2 बॉटम सोलर सेल को 552 mV का रिकॉर्ड-प्रमाणित ओपन-सर्किट वोल्टेज और 16% से अधिक की सक्रिय क्षेत्र दक्षता प्राप्त करने में सक्षम बनाता है।

मूल लेखक: Francesco Lodola, Zhuangyi Zhou, Boaz Koren, Saeed Bayat, Alessandro Magon, Yucheng Hu, Adrian-Marie Philippe, Michele Melchiorre, Hasan Arif Yetkin, Gunnar Kusch, Nathalie Valle, Rachel A. Oliver, Su

प्रकाशित 2026-07-01

📖 6 मिनट में पढ़ें🧠 गहराई से पढ़ें

CC BY 4.0

मूल लेखक: Francesco Lodola, Zhuangyi Zhou, Boaz Koren, Saeed Bayat, Alessandro Magon, Yucheng Hu, Adrian-Marie Philippe, Michele Melchiorre, Hasan Arif Yetkin, Gunnar Kusch, Nathalie Valle, Rachel A. Oliver, Susanne Siebentritt

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 एक सौर सेल (solar cell) एक व्यस्त फैक्ट्री है जो सूरज की रोशनी को बिजली में बदलती है। इस फैक्ट्री के अंदर एक मुख्य उत्पादन क्षेत्र (एक "एब्जॉर्बर") है जहाँ जादू होता है, और पीछे की ओर एक लोडिंग डॉक ("बैक कॉन्टैक्ट") है जहाँ तैयार उत्पाद (बिजली) इमारत से बाहर निकलते हैं।

लंबे समय से, वैज्ञानिक एक विशेष प्रकार की सौर फैक्ट्री बनाने की कोशिश कर रहे हैं जिसका उपयोग CuInSe2 (कॉपर-इंडियम-सेलेनियम) नामक सामग्री के लिए किया जाता है। यह सामग्री विशेष है क्योंकि यह सूरज की रोशनी के कम ऊर्जा वाले हिस्से को पकड़ने के लिए बिल्कुल सही है, जो सुपर-एफिशिएंट "टैंडम" सौर सेल (एक के ऊपर एक रखी दो परतें) बनाने के लिए महत्वपूर्ण है।

समस्या: एक लीक होता हुआ पिछला दरवाजा

जब बिजली फैक्ट्री के पिछले दरवाजे (धातु संपर्क) से बाहर निकलने की कोशिश करती है, तो वह रास्ते में ही खो जाती है। इसके बजाय कि वह आपके घर को रोशन करने के लिए बाहर प्रवाहित हो, इलेक्ट्रॉन दीवार से टकराकर गायब हो जाते हैं। इसे "रिकॉम्बिनेशन" (recombination) कहा जाता है। यह ऐसा है जैसे कर्मचारी एक इमारत से बाहर निकलने की कोशिश कर रहे हों लेकिन वे एक घूमने वाले दरवाजे में फंस जाते हैं जो उन्हें वापस अंदर ही घुमा देता है। इस लीकेज के कारण वोल्टेज बहुत कम हो गया, जिससे इसकी दक्षता (efficiency) सीमित हो गई।

समाधान: एक स्मार्ट "दरबान" (GaOx)

शोधकर्ताओं ने इस लीक होते दरवाजे को ठीक करने का एक चतुर तरीका खोजा। उन्होंने उत्पादन क्षेत्र और लोडिंग डॉक के बीच में गैलियम ऑक्साइड (GaOx) नामक सामग्री से बनी एक विशेष "दरबान" परत स्थापित की।

GaOx परत को एक स्मार्ट बाउंसर के रूप में सोचें:

यह बुरे लोगों को रोकता है: यह इलेक्ट्रॉनों को पीछे की दीवार से टकराकर खो जाने से रोकता है (यह संपर्क को "पैसिवेट" करता है)।
यह अच्छे लोगों को रास्ता देता है: आश्चर्यजनक रूप से, यह बाउंसर "होल्स" (धनात्मक आवेश जो बाहर जाने के लिए आवश्यक हैं) के लिए एक सुचालक (conductor) भी है। आमतौर पर, गैलियम ऑक्साइड एक इंसुलेटर (ईंट की दीवार की तरह) होता है, लेकिन इस विशिष्ट सेटअप में, यह बिजली के प्रवाह के लिए एक हाईवे बन गया।

बड़ी खोज: अतिरिक्त सामग्रियों की आवश्यकता नहीं

इस अध्ययन से पहले, वैज्ञानिकों का मानना था कि इस बाउंसर को काम करने के लिए अतिरिक्त "सामग्रियों" की आवश्यकता होगी। उन्हें लगा कि उन्हें:

अतिरिक्त कॉपर जोड़ना होगा: जैसे दरवाजे के कब्जों में विशेष लुब्रिकेंट डालना।
सोडियम जोड़ना होगा: जैसे श्रमिकों को व्यवस्थित करने के लिए एक विशिष्ट मैनेजर को काम पर रखना।
कॉपर के साथ गर्म करना होगा: जैसे दरवाजे को काम करने के लिए बेक करना।

इस शोध का मुख्य निष्कर्ष यह है कि इन अतिरिक्त चरणों में से किसी की भी वास्तव में आवश्यकता नहीं थी।

शोधकर्ताओं ने तीन अलग-अलग परिदृश्यों का परीक्षण किया:

"मानक" तरीका: अतिरिक्त कॉपर जोड़ा और उसे बेक किया।
"नो-कॉपर" तरीका: बिना अतिरिक्त कॉपर के केवल बेक किया।
"नो-हीट" तरीका: इसे बिल्कुल भी बेक नहीं किया।

परिणाम: तीनों तरीके काम कर गए! GaOx परत बिना अतिरिक्त कॉपर या विशेष बेकिंग स्टेप के भी बिजली के प्रवाह के लिए एक सुचालक हाईवे बन गई। यह एक बड़ी बात है क्योंकि इसका मतलब है कि प्रक्रिया सरल, सस्ती और बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए आसान है।

गुप्त सामग्री: क्रिस्टलीय संरचना (Crystalline Structure)

बिना अतिरिक्त कॉपर के यह कैसे काम कर गया? शोध पत्र सुझाव देता है कि यह GaOx परत की संरचना के कारण है।

तरल विधि (सॉल्यूशन-प्रोसेस्ड) का उपयोग करने वाले पिछले प्रयोगों में, यह परत अव्यवस्थित (अमॉर्फस) थी, इसलिए इसे बिजली संचालित करने के लिए अतिरिक्त कॉपर की आवश्यकता थी।
इस नई विधि (स्प्रे/स्पटर तकनीक का उपयोग करके) में, GaOx परत एक आंशिक रूप से क्रिस्टलीय संरचना के साथ बनी। कल्पना कीजिए कि रेत के ढेर (अव्यवस्थित) और ईंटों की सलीके से लगी दीवार (क्रिस्टलीय) के बीच क्या अंतर है। ईंटों की यह व्यवस्थित संरचना बिजली को स्वाभाविक रूप से बहने देती है, भले ही बिना किसी "लुब्रिकेंट" (कॉपर) के।

सोडियम का प्रश्न

शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि क्या बाउंसर को काम करने के लिए सोडियम (कांच में पाया जाने वाला एक सामान्य तत्व) की आवश्यकता है। उन्होंने पाया कि जबकि सोडियम मुख्य उत्पादन क्षेत्र को बेहतर ढंग से काम करने में मदद करता है, लेकिन यह बाउंसर को नियंत्रित नहीं करता है। GaOx परत पूरी तरह से ठीक काम करती है, भले ही आप सोडियम को उस तक पहुँचने से रोक दें। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका मतलब है कि आप बिना इस बात की चिंता किए कि बाउंसर विफल हो जाएगा, विभिन्न प्रकार के कांच या बैक कॉन्टैक्ट का उपयोग कर सकते हैं।

परिणाम: एक रिकॉर्ड तोड़ने वाला प्रदर्शन

इस सरल, बिना अतिरिक्त सामग्री वाले GaOx बाउंसर का उपयोग करके, टीम ने एक सौर सेल बनाया जिसने हासिल किया:

16% दक्षता: इस प्रकार की लो-बैंडगैप सामग्री के लिए यह एक बहुत उच्च स्कोर है।
552 mV वोल्टेज: यह इस विशिष्ट सामग्री (बिना गैलियम के CuInSe2) के लिए एक विश्व रिकॉर्ड है। यह साबित करता है कि "लीकी डोर" को सफलतापूर्वक ठीक कर दिया गया है।

एक शेष बाधा

पेपर नोट करता है कि "फिल फैक्टर" (यह कि बिजली कितनी सुचारू रूप से बहती है) अभी भी पूरी तरह से परफेक्ट नहीं है। यह ऐसा है जैसे फैक्ट्री बेहतरीन उत्पाद बना रही है, लेकिन अंदर अभी भी थोड़ा ट्रैफिक जाम है। शोधकर्ताओं ने पहचान की है कि यह "ट्रैफिक जाम" परतों के बीच के स्थान में होता है, न कि पिछले दरवाजे पर। इन परतों के बीच के आंतरिक ट्रैफिक को ठीक करना इन सेल्स को और भी अधिक कुशल बनाने का अगला कदम है।

सारांश

संक्षेप में, यह पेपर दिखाता है कि आप एक सरल, स्मार्ट "बाउंसर" (GaOx) का उपयोग करके एक अत्यधिक कुशल सौर सेल का निचला स्तर बना सकते हैं जो ऊर्जा के रिसाव को रोकता है। सबसे अच्छी बात? आपको इसे काम करने के लिए जटिल अतिरिक्त चरणों, विशेष कॉपर उपचार या विशिष्ट सोडियम स्तरों की आवश्यकता नहीं है। यह सामग्री स्वाभाविक रूप से खुद को एक सुचालक संरचना में व्यवस्थित कर लेती है, जो भविष्य के सस्ते, आसानी से बनने वाले, सुपर-एफिशिएंट सोलर पैनलों के लिए मार्ग प्रशस्त करती है।

तकनीकी सारांश: 1.0 eV CuInSe₂ बॉटम सेल्स के लिए GaOₓ एक होल ट्रांसपोर्ट लेयर के रूप में

समस्या विवरण
कैल्कोपाइराइट सौर सेल ट्यूनेबल बैंडगैप (1.00 eV तक) प्रदान करते हैं, जो उन्हें टेंडेम फोटोवोल्टिक अनुप्रयोगों के लिए आदर्श उम्मीदवार बनाते हैं। इस संकीर्ण बैंडगैप को प्राप्त करने के लिए गैलियम (Ga) रहित शुद्ध CuInSe₂ (CISe) अवशोषक की आवश्यकता होती है। हालांकि, शुद्ध CISe उपकरणों में मोलिब्डेनम (Mo) बैक कॉन्टैक्ट पर उच्च पुनर्संयोजन वेग (recombination velocities) के कारण कम ओपन-सर्किट वोल्टेज ( $V_{OC}$ ) की समस्या होती है। जबकि Ga ग्रेडिएंट्स इन नुकसानों को कम कर सकते हैं, वे जनरेशन और रेडिएटिव लॉस भी उत्पन्न करते हैं। वैकल्पिक रूप से, बैक कॉन्टैक्ट को पैसिवेट करने के लिए होल ट्रांसपोर्ट लेयर्स (HTLs) विकसित किए गए हैं। पिछले शोध ने दिखाया है कि CuGaSe₂ प्रिकर्सर और InOₓ परत के बीच आयन एक्सचेंज से बने HTL के परिणामस्वरूप एक GaOₓ परत प्राप्त होती है जो बैक कॉन्टैक्ट को पैसिवेट करती है। हालांकि, ऐतिहासिक रूप से देखा गया है कि GaOₓ उन सौर सेल्स में करंट को ब्लॉक करता है और फिल फैक्टर (FF) को कम करता है जिनमें ट्रांसपेरेंट बैक कॉन्टैक्ट्स होते हैं, विशेष रूप से इंडियम युक्त कॉन्टैक्ट्स पर बनने के मामले में। इसके अलावा, इस HTL के पिछले सफल कार्यान्वयन के लिए एक विशिष्ट कॉपर (Cu) प्रिकर्सर एनीलिंग चरण की आवश्यकता थी और यह सॉल्यूशन-प्रोसेस्ड InOₓ पर निर्भर था, जिससे स्पटर-डेपोजिटेड, औद्योगिक रूप से स्केलेबल प्रक्रियाओं के लिए इन चरणों की आवश्यकता पर सवाल उठते हैं। इसके अतिरिक्त, इस विशिष्ट कॉन्फ़िगरेशन में GaOₓ परत के भीतर चालकता को सक्षम करने में सोडियम (Na) की भूमिका स्पष्ट नहीं थी।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने ग्लास/Mo/HTL/CISe/CdS/i-ZnO/AZO/MgF₂ संरचना का उपयोग करते हुए शुद्ध 1.0 eV CuInSe₂ सौर सेल्स में GaOₓ HTL के निर्माण और परिवहन गुणों की जांच की। HTL को एक डबल-लेयर दृष्टिकोण के माध्यम से बनाया गया था: एक 120 nm को-इवेपोरेटेड Cu-पुअर CuGaSe₂ परत के बाद RF स्पटरिंग द्वारा जमा की गई 30 nm InOₓ परत। इसके बाद 2.2 µm CuInSe₂ एब्जॉर्बर उगाने के लिए मानक तीन-चरणीय को-इवेपोरेशन प्रक्रिया का उपयोग किया गया।

GaOₓ चालकता और पैसिवेशन को सक्षम करने वाले कारकों को अलग करने के लिए, तीन अलग-अलग प्रोसेसिंग वेरिएशंस की तुलना की गई:

"LT" (लो टेम्परेचर): कोई अतिरिक्त Cu प्रिकर्सर नहीं और एब्जॉर्बर ग्रोथ से पहले कोई हाई-टेम्परेचर एनीलिंग नहीं।
"HT" (हाई टेम्परेचर): अतिरिक्त Cu के बिना हाई-टेम्परेचर एनीलिंग (500 °C)।
"Cu HT": एक Cu प्रिकर्सर (30–40 nm) का जमाव और उसके बाद 500 °C पर एनीलिंग, जो पहले सोल्यूशन-प्रोसेस्ड HTLs के लिए आवश्यक मानी जाने वाली स्थितियों की नकल करता है।

इसके अलावा, सोडा-लाइम ग्लास (SLG) सबस्ट्रेट से Na डिफ्यूजन को रोकने के लिए SiOₓ बैरियर के साथ और बिना (डिप्लॉयमेंट के साथ) नमूनों को जमा करके सोडियम की भूमिका का पता लगाया गया। HTL की संरचना और क्रिस्टलिनिटी का विश्लेषण STEM-EDS, SIMS और HRTEM द्वारा किया गया। ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गुणों का निर्धारण एब्सोल्यूट फोटोल्यूमिनेसेंस (PL) के माध्यम से किया गया ताकि क्वासी-फर्मी लेवल स्प्लिटिंग (QFLS) और ऑप्टिकल डायोड फैक्टर्स (ODF) निर्धारित किए जा सकें, जबकि इलेक्ट्रिकल प्रदर्शन का आकलन J-V माप, सीरीज़ रेजिस्टेंस और इलेक्ट्रिकल डायोड फैक्टर (EDF) निष्कर्षण के माध्यम से किया गया।

मुख्य योगदान और परिणाम

Cu एनीलिंग के बिना GaOₓ चालकता: सोल्यूशन-प्रोसेस्ड HTLs के निष्कर्षों के विपरीत, यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि स्पटर-डेपोजिटेड GaOₓ परत को कंडक्टिव बनाने के लिए अतिरिक्त Cu प्रिकर्सर एनीलिंग चरण की आवश्यकता नहीं है। बिना Cu प्रिकर्सर ("LT") के प्रोसेस्ड डिवाइस ने Cu प्रिकर्सर वाले डिवाइस की तुलना में समान या बेहतर फिल फैक्टर और $V_{OC}$ मान प्रदर्शित किए। पाया गया कि GaOₓ आंशिक रूप से क्रिस्टलीय है, जो एब्जॉर्बर ग्रोथ के दौरान थर्मल ट्रीटमेंट के कारण है, जो गहरे Cu-संबंधित डिफेक्ट बैंड्स की आवश्यकता के बिना चार्ज ट्रांसपोर्ट को सुगम बना सकता है।
सोडियम की भूमिका: जबकि Na, CuInSe₂ एब्जॉर्बर की बल्क क्वालिटी को सुधारने के लिए आवश्यक है (Na डिफ्यूजन वाले नमूनों में उच्च PL यील्ड द्वारा प्रमाणित), अध्ययन यह भी बताता है कि Na, GaOₓ HTL के स्वयं के होल ट्रांसपोर्ट गुणों के लिए आवश्यक नहीं है। SiOₓ Na-ब्लॉकिंग लेयर वाले नमों ने प्रभावी बैक-कॉन्टैक्ट पैसिवेशन और अच्छा ट्रांसपोर्ट प्राप्त किया, जो दर्शाता है कि स्पटर-डेपोजिटेड होने पर यह व्यवहार पिछले बाइफेशियल अध्ययनों में देखे गए ब्लॉकिंग व्यवहार का हिस्सा नहीं है।
ऑक्सीजन फ्लो स्वतंत्रता: InOₓ स्पटरिंग प्रक्रिया के दौरान ऑक्सीजन फ्लो के बदलावों ने परिणामी GaOₓ परत के पैसिवेशन या चालकता पर कोई व्यवस्थित प्रभाव नहीं दिखाया।
डिवाइस प्रदर्शन: अनुकूलित "LT" प्रक्रिया ने बिना Ga ग्रेडिएंट्स, भारी अल्कली उपचार, या Ag अलॉयिंग के शुद्ध CuInSe₂ बॉटम सेल के लिए रिकॉर्ड-सर्टिफाइड $V_{OC}$ 552 mV प्रदान किया। डिवाइस ने 69.9% के फिल फैक्टर और 42.7 mA/cm² के शॉर्ट-सर्किट करंट ( $J_{SC}$ ) के साथ 16.4% की एक्टिव एरिया एफिशिएंसी हासिल की।
सीमित कारक: उच्च $V_{OC}$ के बावजूद, फिल फैक्टर एक उच्च इलेक्ट्रिकल डायोड फैक्टर (EDF > 1.6) के कारण सीमित है। एब्जॉर्बर के ऑप्टिकल डायोड फैक्टर (ODF) की तुलना तैयार सेल के EDF से करने पर पता चलता है कि प्राथमिक लॉस मैकेनिज्म स्पेस-चार्ज रीजन (SCR) में शॉकले-रीड-हॉल (SRH) पुनर्संयोजन है, न कि बल्क पुनर्संयोजन या सरल सीरीज़ रेजिस्टेंस।

महत्व
यह कार्य स्थापित करता है कि एक स्पटर-डेपोजिटेड GaOₓ होल ट्रांसपोर्ट लेयर, जिसे एब्जॉर्बर ग्रोथ के दौरान आयन एक्सचेंज के माध्यम से बनाया गया है, जटिल Cu-प्रिकर्सर एनीलिंग स्टेप्स या ऑक्साइड के भीतर विशिष्ट Na डोपिंग की आवश्यकता के बिना शुद्ध CuInSe₂ सौर सेल्स के बैक कॉन्टैक्ट को प्रभावी ढंग से पैसिवेट कर सकता है। परिणामी डिवाइस 552 mV की प्रमाणित $V_{OC}$ और 16% से अधिक की दक्षता प्राप्त करते हैं, जो Ga-मुक्त कैल्कोपाइराइट बॉटम सेल्स के लिए एक नया बेंचमार्क सेट करते हैं। ये निष्कर्ष मोनोलिथिक टेंडेम सौर सेल्स के विकास के लिए महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि वे एक स्केलेबल, स्पटर-कम्पैटिबल बैक-कॉन्टैक्ट आर्किटेक्चर को प्रमाणित करते हैं जो उच्च वोल्टेज और कुशल कैरियर कलेक्शन बनाए रखते हुए आदर्श 1.0 eV बैंडगैप एब्जॉर्बर के उपयोग को सक्षम बनाता है। यह अध्ययन यह भी स्पष्ट करता है कि फिल फैक्टर को सीमित करने वाला उच्च डायोड फैक्टर एक सिस्टमिक मुद्दा है जो इन विशिष्ट आर्किटेक्चर में SCR पुनर्संयोजन से संबंधित है, जो भविष्य के अनुकूलन लक्ष्यों की ओर संकेत करता है।