What Photocurrent Versus Effective Voltage Tells Us About Charge Generation in Organic Solar Cells
यह शोध पत्र यह तर्क देता है कि फोटोकरंट बनाम प्रभावी वोल्टेज प्लॉट्स से एक्सिटोन पृथक्करण प्रायिकता (exciton dissociation probability) निकालने की सामान्य पद्धति मौलिक रूप से त्रुटिपूर्ण है, क्योंकि परिणामी मीट्रिक वास्तविक चार्ज जनरेशन यील्ड के बजाय शॉर्ट-सर्किट कलेक्शन दक्षता और फिल फैक्टर को दर्शाता है, जो इसे आधुनिक उच्च-दक्षता वाले कार्बनिक सौर सेल के विश्लेषण के लिए अनुपयुक्त बनाता है।
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सौर ऊर्जा की दुनिया में, वैज्ञानिक लगातार बेहतर उपकरण बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो सूर्य के प्रकाश को बिजली में बदल सकें। ऑर्गेनिक सौर सेल, जो कठोर सिलिकॉन के बजाय कार्बन-आधारित सामग्रियों से बने होते हैं, लचीले, हल्के और संभावित रूप से सस्ते ऊर्जा स्रोतों की ओर एक आशाजनक मार्ग प्रदान करते हैं। यह समझने के लिए कि ये सेल कितनी अच्छी तरह काम करते हैं, शोधकर्ता उनके प्रदर्शन को दो मुख्य चरणों में विभाजित करते हैं। पहला, सामग्री को प्रकाश के एक फोटॉन को अवशोषित करना चाहिए और उस ऊर्जा का उपयोग एक बंधे हुए कणों के जोड़े को मुक्त-गतिशील आवेशों (charges) में विभाजित करने के लिए करना चाहिए जो करंट ले जा सकें। दूसरा, इन मुक्त आवेशों को सेल के किनारों तक बिना खोए या पुनर्संयोजित (recombine) हुए सामग्री के माध्यम से यात्रा करनी चाहिए। वर्षों से, वैज्ञानिक समुदाय उस पहले चरण की सफलता को मापने के लिए एक विशिष्ट, व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली विधि पर निर्भर रहा है। विद्युत धारा (current) को एक गणना किए गए वोल्टेज के विरुद्ध प्लॉट करके, शोधकर्ताओं ने दावा किया है कि वे एक ऐसी संख्या निकाल सकते हैं जो इस संभावना का प्रतिनिधित्व करती है कि एक उत्तेजित कण सफलतापूर्वक मुक्त आवेशों में विभाजित हो जाता है। यह संख्या एक मानक मीट्रिक बन गई है, जिसका उपयोग विभिन्न सामग्रियों की तुलना करने और यह तर्क देने के लिए किया जाता है कि नए, उच्च-प्रदर्शन वाले मिश्रण लगभग पूर्ण दक्षता के साथ आवेश उत्पन्न कर रहे हैं।
स्वानसी विश्वविद्यालय और ओबो अकाडेमी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस लंबे समय से चले आ रहे माप की वैधता को चुनौती दी है। उनका तर्क है कि यह विधि, जिसे सैकड़ों हालिया प्रकाशनों में लागू किया गया है, वास्तव में यह नहीं मापती है कि आवेश कितनी कुशलता से उत्पन्न होते हैं। इसके बजाय, वे प्रदर्शित करते हैं कि यह संख्या जो उत्पन्न करती है, वह इस बात का प्रतिबिंब है कि आवेशों को उनके बनने के बाद कितनी अच्छी तरह एकत्र (collect) किया जाता है। शोधकर्ताओं ने एक सौर सेल का विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया जहाँ वे उत्तर पहले से जानते थे: उन्होंने डिवाइस को इस तरह प्रोग्राम किया कि प्रत्येक प्रकाश कण एक मुक्त आवेश बनाता है, जिसका अर्थ है कि जनरेशन दक्षता सौ प्रतिशत थी। जब उन्होंने इस आदर्श सिमुलेशन पर मानक माप प्रक्रिया लागू की, तो विधि ने सौ प्रतिशत का मान नहीं दिया। इसके बजाय, इसने एक कम संख्या रिपोर्ट की, जिससे पता चला कि आवेशों के विभाजन के दौरान नुकसान हो रहा है। वास्तव में, विभाजन के दौरान कोई भी आवेश नष्ट नहीं हुआ था; यह कमी पूरी तरह से आवेशों को आपस में टकराकर गायब होने से बचाते हुए संपर्कों (contacts) तक ले जाने की कठिनाई से आई थी।
अध्ययन से पता चलता है कि इस प्रक्रिया द्वारा निकाला गया मान जनरेशन का माप नहीं है, बल्कि यह 'फिल फैक्टर' (fill factor) का एक माप है, जो एक अलग गुण है जो सेल के प्रदर्शन वक्र (performance curve) के समग्र आकार का वर्णन करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह स्पष्ट "डिसोसिएशन प्रोबेबिलिटी" (dissociation probability) गणितीय रूप से इस बात से जुड़ी हुई है कि सेल शॉर्ट सर्किट पर आवेशों को कितनी कुशलता से एकत्र करता है, जो कि वह अवस्था है जहाँ वोल्टेज शून्य होता है। उनके सबसे आदर्श सिमुलेशन में भी, जहाँ आवेश का संचलन उत्तम था और पुनर्संोजन (recombination) न्यूनतम था, यह विधि सौ प्रतिशत तक पहुँचने में विफल रही। ऐसा इसलिए है क्योंकि एक मौलिक सीमा मौजूद है: भले ही आवेश पूर्ण रूप से उत्पन्न होते हों, उनमें से कुछ अनिवार्य रूप से गलत इलेक्ट्रोड की ओर विसरित (diffuse) होकर धातु संपर्कों से इंजेक्ट किए गए आवेशों के साथ पुनर्संयोजित हो जाते हैं। यह एक प्रथम-क्रम का प्रभाव (first-order effect) है, जिसका अर्थ है कि यह प्रकाश की चमक के बावजूद होता है, और यह उस मान पर एक सीमा निर्धारित करता है जिसे यह विधि कभी भी रिपोर्ट कर सकती है। फलस्वरूप, इस परीक्षण द्वारा दी गई कम संख्या का मतलब यह नहीं है कि सामग्री आवेशों को विभाजित करने में खराब है; इसका मतलब अक्सर यह होता है कि सामग्री को उन्हें तार तक ले जाने में समस्या है।
इस बिंदु को वास्तविक दुनिया के डेटा के साथ सिद्ध करने के लिए, टीम ने चार अलग-अलग ऑर्गेनिक सौर सेल मिश्रणों का परीक्षण किया, जिनमें से दो को ज्ञात है कि वे लगभग पूर्ण दक्षता के साथ आवेश उत्पन्न करते हैं और दो को ज्ञात है कि उनमें जनरेशन चरण में महत्वपूर्ण नुकसान होता है। उन्होंने मानक माप के परिणामों की तुलना वास्तविक जनरेशन दक्षता से की, जिसे एक अलग, अधिक जटिल तकनीक का उपयोग करके स्वतंत्र रूप से निर्धारित किया गया था। परिणाम स्पष्ट थे: मानक विधि जनरेशन के मामले में उच्च-प्रदर्शन और निम्न-प्रदर्शन वाली सामग्रियों के बीच अंतर करने में विफल रही। इसके बजाय, इसके द्वारा उत्पन्न संख्या ने उपकरणों के फिल फैक्टर को ट्रैक किया। इसने खराब-जनरेशन वाली सामग्रियों की दक्षता को बढ़ा-चढ़ाकर दिखाया और उत्कृष्ट सामग्रियों की दक्षता को कम करके दिखाया, क्योंकि यह जनरेशन यील्ड के बजाय कलेक्शन लॉस (collection losses) को माप रहा था। शोधकर्ता निष्कर्ष निकालते हैं कि इस व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली प्रक्रिया को छोड़ दिया जाना चाहिए, विशेष रूप से नई पीढ़ी की उच्च-दक्षता वाली सामग्रियों के लिए, क्योंकि यह इस बारे में भ्रामक तस्वीर प्रदान करती है कि एक सामग्री कितनी अच्छी तरह मुक्त आवेश बनाती है। वास्तविक चार्ज जनरेशन दक्षता कलेक्शन लॉस के पर्दे के पीछे छिपी हुई है, और केवल विशेष, स्वतंत्र तकनीकें ही इसे प्रकट कर सकती हैं।
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