Divergent Solid-state Conversion Pathways in Evaporated All-perovskite Tandem Solar Cells
क्रमवार वाष्पित (sequentially evaporated) वाइड-बैंडगैप और नैरो-बैंडगैप पेरोव्स्काइट स्टैक में विचलित सॉलिड-स्टेट रूपांतरण तंत्रों को प्रकट करके, यह अध्ययन 19.2% दक्षता और उन्नत तापीय स्थिरता वाले पहले वाष्पित ऑल-पेरोव्स्काइट टैंडम सौर सेल को सक्षम करने के लिए बैंडगैप-विशिष्ट नियंत्रण को एक डिजाइन सिद्धांत के रूप में स्थापित करता है।
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सौर ऊर्जा लंबे समय से एक मौलिक सीमा द्वारा सीमित रही है: सामग्री की एक एकल परत सूर्य के प्रकाश के केवल एक विशिष्ट हिस्से को ही पकड़ सकती है, जिससे बाकी हिस्सा या तो गुजर जाता है या व्यर्थ ऊष्मा में बदल जाता है। इस बाधा को तोड़ने के लिए, वैज्ञानिकों ने दो अलग-अलग परतों को एक के ऊपर एक रखने की ओर रुख किया है, जिससे एक 'टैंडम सेल' (tandem cell) बनता है जहाँ ऊपरी परत उच्च-ऊर्जा वाले प्रकाश को पकड़ती है और निचली परत शेष प्रकाश को पकड़ती है। इस काम के लिए सबसे आशाजनक सामग्री 'पेरोव्स्काइट्स' (perovskites) नामक क्रिस्टल का एक वर्ग है, जिन्हें प्रकाश के विभिन्न रंगों को अवशोषित करने के लिए ट्यून किया जा सकता है। हालाँकि इन सेल्स ने प्रयोगशाला में प्रभावशाली दक्षता स्तर प्राप्त कर लिए हैं, लेकिन वर्तमान में इन्हें तरल रसायनों का उपयोग करके बनाया जाता है। इस विधि में जहरीले सॉल्वैंट्स (विलायक) और जटिल चरण शामिल हैं जिन्हें बड़े, लचीले या औद्योगिक आकार के पैनलों के लिए बड़े पैमाने पर लागू करना कठिन है। एक स्वच्छ और अधिक सटीक विकल्प इन परतों को शून्य से वैक्यूम (निर्वात) में बनाना है, जिसमें ठोस सामग्रियों को तब तक वाष्पित किया जाता है जब तक कि वे एक फिल्म न बना लें, ठीक वैसे ही जैसे खिड़की पर पाला जमता है। हालाँकि, जबकि यह वैक्यूम विधि सरल परतों के लिए अच्छी तरह काम करती है, वैज्ञानिक इस बात को समझने के लिए संघर्ष कर रहे थे कि तरल की मदद के बिना टैंडम सेल्स के लिए आवश्यक जटिल, मिश्रित-सामग्री वाली परतों को कैसे बनाया जाए।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन परतों को वास्तविक समय में देखते हुए इस पहेली को सुलझा लिया है कि ये वैक्यूम-डिपोजिटेड परतें कार्यशील सौर सेल में कैसे परिवर्तित होती हैं। उन्होंने खोजा कि यह प्रक्रिया एक एकल, समान घटना नहीं है, बल्कि सामग्री के प्रकार के आधार पर दो पूरी तरह से अलग रास्ते हैं। जब ऊपरी परत बनाई जाती है, जिसे नीले और हरे प्रकाश को अवशोषित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, तो सामग्रियाँ अंतिम क्रिस्टल संरचना बनने से पहले ही तेजी से और समान रूप से आपस में मिल जाती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह परत जिस रंग के प्रकाश को अवशोषित करती है, वह केवल इस बात से निर्धारित होता है कि एक विशिष्ट ब्रोमीन-युक्त घटक की कितनी मात्रा जोड़ी गई है, चाहे अन्य सामग्रियों का अनुपात कुछ भी हो। यह प्रणाली एक अच्छी तरह से मिश्रित सूप की तरह काम करती है जहाँ अंतिम स्वाद मुख्य मसाले की कुल मात्रा पर निर्भर करता है, न कि अन्य सामग्रियों के अनुपात पर।
इसके विपरीत, निचली परत, जिसे टिन और लेड (सीसा) के मिश्रण का उपयोग करके लाल और इन्फ्रारेड प्रकाश को अवशोषित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, बहुत अधिक अराजक मार्ग का अनुसरण करती है। जैसे ही कार्बनिक घटक जोड़ा जाता है, परतों के बीच के इंटरफेस (अंतराफलक) पर एक प्रतिक्रिया शुरू हो जाती है, जिससे एक ठोस परत (क्रस्ट) बन जाती है जो नीचे की शेष सामग्रियों को फँसा लेती है। यह प्रारंभिक निर्माण एक अवरोध पैदा करता है जो सामग्रियों को पूरी तरह से मिलने से रोकता है। एक समान मिश्रण के बजाय, अंतिम क्रिस्टल एक ऊर्ध्वाधर ग्रेडिएंट (vertical gradient) के साथ समाप्त होता है, जहाँ ऊपरी हिस्सा लेड से समृद्ध होता है और निचला हिस्सा टिन से समृद्ध होता है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि यह असमान मिश्रण इसलिए होता है क्योंकि क्रिस्टल लैटिस (जाली) धातु के परमाणुओं के अपनी आदर्श जगहों को खोजने से पहले ही तेजी से बनता और सख्त हो जाता है। यह अंतर्दृष्टि बताती है कि पिछले प्रयास इन सेल्स को बनाने में असंगत क्यों रहे; प्रक्रिया एक ऐसे सिस्टम में एक समान मिश्रण थोपने की कोशिश कर रही थी जो स्वाभाविक रूप से इसका विरोध करता है।
सामग्रियों के व्यवहार की इस समझ से लैस होकर, टीम ने प्रत्येक परत के लिए हीटिंग और समय को अलग-अलग अनुकूलित किया। उन्होंने सफलतापूर्वक एक पूर्ण टैंडम सौर सेल बनाया जहाँ दोनों परतें पूरी तरह से इस शुष्क, वैक्यूम-आधारित विधि के माध्यम से बनाई गईं, जिसमें तरल विलायक की एक बूंद का भी उपयोग नहीं किया गया। इस उपकरण ने 19.2 प्रतिशत की दक्षता के साथ सूर्य के प्रकाश को बिजली में परिवर्तित किया, जो इस विशिष्ट विनिर्माण तकनीक के लिए एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है। इसके अलावा, ये सेल्स उल्लेखनीय रूप से टिकाऊ भी सिद्ध हुए; एक गर्म वातावरण में 1,200 घंटों तक संग्रहीत करने के बाद भी, इन्होंने अपने प्रारंभिक प्रदर्शन का 80 प्रतिशत बनाए रखा। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि प्रत्येक परत के विशिष्ट भौतिक व्यवहार के अनुसार विनिर्माण प्रक्रिया को तैयार करके, उच्च-गुणवत्ता वाले, विलायक-मुक्त सौर सेल बनाना संभव है जो लचीली और बड़े पैमाने की सौर शक्ति की अगली पीढ़ी के लिए तैयार हैं।
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