Surface Physics of Low-Dimensional Pnictogen Chalcohalides and Its Impact on Photovoltaic Technologies
प्रथम-सिद्धांत गणनाओं (first-principles calculations) को डिवाइस मॉडलिंग के साथ संयोजित करके, यह अध्ययन प्रकट करता है कि निम्न-आयामी निक्टोजेन हेलोहैलाइड्स (pnictogen chalcohalides) में भिन्न क्रिस्टल फलकों (crystal facets) का सह-अस्तित्व महत्वपूर्ण बैंड-एज मिसअलाइनमेंट (band-edge misalignment) का कारण बनता है जो ओपन-सर्किट वोल्टेज को अत्यधिक कम कर देता है, जिससे सतह अभिविन्यास (surface orientation) को सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक सौर सेल दक्षताओं के बीच के अंतर को पाटने के लिए एक महत्वपूर्ण डिजाइन पैरामीटर के रूप में पहचाना गया है।
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सौर सेल आधुनिक हरित ऊर्जा संक्रमण के कार्यवाहक हैं, जो सूर्य के प्रकाश को सीधे बिजली में बदलते हैं। इन उपकरणों के बेहतर ढंग से काम करने के लिए, वे एक नाजुक आंतरिक संरचना पर निर्भर करते हैं जहाँ विभिन्न परतों की सामग्री को पूरी तरह से सहयोग करना चाहिए। एक परत प्रकाश को अवशोषित करती है और सूक्ष्म आवेशित कणों का प्रवाह उत्पन्न करती है, जबकि अन्य परतें द्वारपाल के रूप में कार्य करती हैं, जो उन कणों को सही तारों की ओर निर्देशित करती हैं ताकि वे खो न जाएं या एक-दूसरे को रद्द न कर दें। इस प्रक्रिया की दक्षता काफी हद तक उन सतहों पर सटीक ऊर्जा स्तरों पर निर्भर करती है जहाँ ये परतें मिलती हैं। यदि ऊर्जा स्तर सही ढंग से संरेखित नहीं होते हैं, तो बिजली बाहर नहीं निकल पाती है और उपकरण विफल हो जाता है। जबकि वैज्ञानिक लंबे समय से इन सामग्रियों की रासायनिक संरचना पर ध्यान केंद्रित करते रहे हैं, एक नया अध्ययन बताता है कि सौर सामग्रियों के एक आशाजनक नए परिवार के लिए क्रिस्टल सतहों का भौतिक आकार और अभिविन्यास स्वयं ही पहेली का गायब हिस्सा हो सकता है।
शोधकर्ताओं ने हाल ही में 'निक्टोजेन कैलकोहैलाइड्स' (pnictogen chalcohalides) नामक यौगिकों के एक समूह को सौर जगत के संभावित सितारों के रूप में पहचाना है। ये सामग्रियां बिस्मथ या एंटीमनी जैसे तत्वों के सल्फर, सेलेनियम, आयोडीन या ब्रोमीन के साथ संयोजन से बनी होती हैं। वे इसलिए आकर्षक हैं क्योंकि वे गैर-विषाक्त, स्थिर और प्रकाश को बहुत प्रभावी ढंग से अवशोषित करने वाली हैं, जो सैद्धांतिक रूप से सूर्य के प्रकाश को तीस प्रतिशत तक बिजली में बदलने में सक्षम हैं। हालांकि, इन सामग्रियों से बने वास्तविक सौर सेल दस प्रतिशत दक्षता तक पहुँचने के लिए भी संघर्ष करते रहे हैं। वैज्ञानिक संदेह करते थे कि सामग्री के भीतर दोष या खराब उपकरण डिजाइन इसके लिए जिम्मेदार थे, लेकिन एक व्यापक नए अन्वेषण से पता चलता है कि समस्या क्रिस्टल सतहों की सूक्ष्म ज्यामिति में हो सकती है।
स्पेन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने आठ अलग-अलग यौगिकों के इस परिवार की सतहों की जांच करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। यह धारणा बनाने के बजाय कि सबसे सामान्य क्रिस्टल चेहरे सबसे स्थिर होंगे, उन्होंने विभिन्न संभावित सतह अभिविन्यासों के एक विशाल संग्रह का व्यवस्थित रूप से परीक्षण किया, जिसमें कुछ ऐसे भी शामिल थे जिन्हें शायद ही कभी माना जाता है। उन्होंने खोजा कि अध्ययन किए गए प्रत्येक यौगिक के लिए, दो विशिष्ट सतहें सबसे स्थिर थीं और निर्माण के दौरान बनने की संभावना थी। इनमें से एक सतह, जिसे (011) फेस कहा जाता है, को पिछले शोध में काफी हद तक अनदेखा किया गया था, जबकि दूसरी, (010) फेस, पहले से ज्ञात थी। दोनों सतहें ऊर्जा के मामले में इतनी समान हैं कि वे स्वाभाविक रूप से एक वास्तविक सौर सेल में सह-अस्तित्व में रहेंगी, एक ही सामग्री के टुकड़े पर एक-दूसरे के बगल में दिखाई देंगी।
महत्वपूर्ण निष्कर्ष यह है कि हालांकि ये दोनों सतहें ऊर्जा के मामले में जुड़वां हैं, लेकिन बिजली के मामले में वे अजनबियों की तरह व्यवहार करती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि सामग्री की बिजली संचालित करने की क्षमता के किनारे पर ऊर्जा स्तर दो चेहरों के बीच काफी मात्रा में विस्थापित हो जाते हैं। एक सतह पर, ऊर्जा स्तर गहरा और नीचे होता है, जबकि दूसरी सतह पर, वे बहुत ऊपर होते हैं। यह अंतर 0.8 इलेक्ट्रॉन वोल्ट जितना बड़ा हो सकता है, जो परमाणु भौतिकी की दुनिया में एक महत्वपूर्ण अंतर है। इसे समझने के लिए, यदि ऊर्जा पैमाने को एक ऊर्ध्वाधर सीढ़ी माना जाए, तो यह ऊर्जा अंतर लगभग एक तीन मंजिला इमारत की ऊंचाई के बराबर है, जो एक विशाल बाधा बनाता है जिसे इलेक्ट्रॉनों को चढ़ने की कोशिश करनी पड़ती है।
चूंकि ये दोनों सतहें ऊर्जा के इतने करीब हैं, इसलिए एक वास्तविक सौर सेल में अनिवार्य रूप से दोनों प्रकार की सतहों का मिश्रण होगा। शोधकर्ताओं ने फिर सिमुलेशन किया कि यदि एक सौर सेल में दोनों प्रकार की सतहें हों तो वह कैसा व्यवहार करेगा। परिणाम स्पष्ट थे: बेमेल सतहों की उपस्थिति ने बिजली के प्रवाह में संघर्ष पैदा किया। जिस सतह ने इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालने में मदद की, वह होल (धनात्मक समकक्ष) को बाहर निकालने में खराब थी, और इसके विपरीत। जब दोनों सतहें मौजूद होती हैं, तो वे एक-दूसरे के विरुद्ध लड़ती हैं, जिससे उपकरण का वोल्टेज नाटकीय रूप से गिर जाता है। अपने सिमुलेशन में, इस आंतरिक संघर्ष ने अधिकतम वोल्टेज को 0.6 वोल्ट तक कम कर दिया, एक ऐसा नुकसान जो बताता है कि ये सामग्रियां अपनी सैद्धांतिक क्षमता तक पहुँचने में क्यों विफल रही हैं।
यह खोज वैज्ञानिकों के सोचने के तरीके को बदल देती है कि इन सौर सेलों को कैसे डिजाइन किया जाए। यह सुझाव देता है कि कम दक्षता आवश्यक रूप से खराब रसायन या अशुद्धियों के कारण नहीं है, बल्कि एक छिपे हुए डिजाइन दोष के कारण है: विभिन्न क्रिस्टल चेहरों का अनियंत्रित मिश्रण। अध्ययन का तात्पर्य है कि एक उच्च-प्रदर्शन वाला सौर सेल बनाने के लिए, इंजीनियरों को क्रिस्टल के अभिविन्यास को नियंत्रित करना सीखना होगा, यह सुनिश्चित करते हुए कि केवल सबसे अनुकूल सतह ही विद्युत संपर्कों के संपर्क में आए। वैकल्पिक रूप से, वे डिवाइस को इस अंतर का लाभ उठाने के लिए डिजाइन कर सकते हैं, चेहरों के बीच के प्राकृतिक ऊर्जा अंतराल का उपयोग आवेशों को अलग करने में मदद करने के लिए कर सकते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक फोटोकैटलिस्ट पानी को विभाजित करता है।
शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि उनके निष्कर्ष पूर्ण, स्वच्छ सतहों के कंप्यूटर मॉडल पर आधारित हैं, और वास्तविक दुनिया की सामग्रियों में अशुद्धियों और सतह की खुरदरापन जैसी अतिरिक्त जटिलताएं होंगी। हालांकि, सिमुलेशन सिद्धांत और प्रयोग के बीच के अंतर की स्पष्ट व्याख्या प्रदान करते हैं। सतह अभिविन्यास को एक महत्वपूर्ण, फिर भी पहले से छिपे हुए चर के रूप में पहचानकर, यह कार्य एक नया रास्ता प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि इन गैर-विषाक्त सौर सामग्रियों की पूरी क्षमता को अनलॉक करने की कुंजी न केवल इस बात में है कि सामग्री किससे बनी है, बल्कि इसमें भी है कि इसकी सतह का आकार और संरेखण कैसा है।
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