A Universal Polybromide Melt Strategy for the Direct Conversion of Metals into Optoelectronic-Grade Bromide Perovskites
यह शोध पत्र मिथाइलअमोनियम पॉलीब्रोमाइड मेल्ट्स का उपयोग करके एक सार्वभौमिक, कार्बनिक-विलायक-मुक्त रणनीति प्रस्तुत करता है जो कमरे के तापमान पर स्थिर मौलिक धातु फिल्मों को सीधे उच्च-गुणवत्ता वाले ब्रोमाइड पेरोव्स्काइट्स और संबंधित चरणों में परिवर्तित करती है, जो पारंपरिक ऑक्सीकरण सीमाओं को दूर करती है और अगली पीढ़ी के ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक स्केलेबल मार्ग प्रदान करती है।
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सौर पैनल पर सूरज की रोशनी पड़ना एक जाना-पहचाना दृश्य है, लेकिन उस पैनल के अंदर की सामग्रियां अक्सर जटिल और नाजुक होती हैं। प्रकाश को बिजली में बदलने के लिए, वैज्ञानिक 'हैलाइड पेरोव्स्काइट्स' नामक क्रिस्टल के एक वर्ग का उपयोग करते हैं। ये सामग्रियां विशेष हैं क्योंकि ये प्रकाश को बहुत अच्छी तरह से अवशोषित करती हैं और इन्हें पतली, लचीली फिल्मों में बनाया जा सकता है। हालाँकि, इन्हें बनाना कठिन है। इन क्रिस्टल के भीतर परमाणुओं का एक विशिष्ट विद्युत आवेश (इलेक्ट्रिकल चार्ज) होना चाहिए ताकि वे सही ढंग से काम कर सकें। यदि आवेश थोड़ा भी गलत हुआ, तो सामग्री विफल हो जाएगी या जल्दी टूट जाएगी। पारंपरिक रूप से, वैज्ञानिकों को उन रसायनों से शुरुआत करनी पड़ती थी जिनमें पहले से ही सही आवेश होता है, जो अक्सर अस्थिर, महंगे या संभालने के लिए जहरीले होते हैं। यह बड़े, विश्वसनीय सौर सेल या अन्य प्रकाश-आधारित उपकरण बनाना कठिन बना देता है।
इजरायल के बेन-गुरियन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन समस्याओं से बचने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने इन उपकरणों के लिए आवश्यक उच्च-गुणवत्ता वाले क्रिस्टल में सीधे स्थिर, ठोस धातुओं को बदलने की एक विधि खोजी है। अस्थिर रसायनों से शुरुआत करने के बजाय, वे लेड (सीसा), टिन, गोल्ड (सोना) या कॉपर (तांबा) जैसी शुद्ध धातु की चादरों से शुरुआत करते हैं। फिर वे लवणों (साल्ट्स) और ब्रोमीन के मिश्रण से बने एक विशेष तरल का उपयोग करते हैं। यह तरल एक शक्तिशाली लेकिन नियंत्रित ऑक्सीडाइज़र के रूप में कार्य करता है, जो धातु के परमाणुओं से इलेक्ट्रॉन छीन लेता है और उन्हें सौर सेल के लिए उपयुक्त सटीक क्रिस्टल संरचना में पुनर्गठित करता है। यह प्रक्रिया कमरे के तापमान पर तेजी से होती है और इसके लिए किसी जहरीले कार्बनिक विलायक (सॉल्वेंट) की आवश्यकता नहीं होती है।
शोधकर्ताओं ने इस दृष्टिकोण का परीक्षण चार अलग-अलग धातुओं पर किया, जिनमें से प्रत्येक की अपनी चुनौतियां थीं। लेड सौर सेल में उपयोग की जाने वाली सबसे आम धातु है, लेकिन अपने रासायनिक रूप में यह जहरीली होती है। टिन एक आशाजनक विकल्प है जो कम जहरीला है, लेकिन यह बहुत अस्थिर है और हवा के संपर्क में आने पर आसानी से एक बेकार रूप में बदल जाता है। गोल्ड और कॉपर का उपयोग करना भी कठिन है क्योंकि वे स्वाभाविक रूप से उस विद्युत अवस्था में मौजूद रहना चाहते हैं जो सौर सेल के लिए आवश्यक है। एक 'पॉलीब्रोमाइड मेल्ट' नामक तरल मिश्रण का उपयोग करके, टीम ने दिखाया कि सभी चार धातुओं को सही क्रिस्टल रूपों में बदला जा सकता है। यह तरल एक रासायनिक सेतु (ब्रिज) की तरह कार्य करता है, जो स्थिर धातु को लेकर उसे इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आवश्यक सक्रिय सामग्री में बदल देता है।
सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक टिन से संबंधित है। अतीत में, टिन-आधारित सौर क्रिस्टल बनाने की कोशिश करने पर अक्सर टिन अत्यधिक ऑक्सीकृत हो जाता था, जिससे वह एक सफेद पाउडर में बदल जाता था जो किसी उपकरण में काम नहीं आता। शोधकर्ताओं ने पाया कि अपने तरल मिश्रण के नुस्खे को समायोजित करके—विशेष रूप से अधिक एसिड और कम ब्रोमीन जोड़कर—वे प्रतिक्रिया को इतना धीमा कर सकते थे कि ओवर-ऑक्सीकरण को रोका जा सके। इसने उन्हें उच्च-गुणवत्ता वाले टिन क्रिस्टल बनाने में सक्षम बनाया जो सामान्य हवा के संपर्क में रहने पर भी स्थिर रहे। उन्होंने यह भी देखा कि यदि कुछ धातु बची रह जाती है, तो वह क्रिस्टल को ठीक करने में मदद करती है, एक स्व-सुधारात्मक तंत्र के रूप में कार्य करती है जो टिन को सही अवस्था में रखती है।
टीम ने केवल एक जार में रसायन नहीं मिलाए; उन्होंने प्रक्रिया को वास्तविक समय में देखा। धातु के पाउडर और तरल मिश्रण को एक सीलबंद चैंबर के अंदर रखकर और प्रतिक्रिया के दौरान एक्स-रे चित्र लेकर, उन्होंने देखा कि क्रिस्टल कैसे बनते हैं। कुछ धातुओं के लिए, यह परिवर्तन तत्काल था। दूसरों के लिए, इसमें कुछ मिनट लगे। टिन और कॉपर के मामले में, उन्होंने अस्थायी मध्यवर्ती चरणों को देखा जहाँ परमाणु एक अव्यवस्थित, बीच की अवस्था में थे, इससे पहले कि वे अंतिम, पूर्ण क्रिस्टल संरचना में स्थिर होते। इस विस्तृत दृश्य ने उन्हें समझने में मदद की कि तरल मिश्रण केवल एक साधारण अभिकारक (रिएक्टेंट) नहीं है बल्कि एक ट्यूनेबल टूल (समायोज्य उपकरण) है। मिश्रण में ब्रोमीन की मात्रा बदलकर, वे यह नियंत्रित कर सकते थे कि प्रतिक्रिया कितनी तेज होगी और अंतिम उत्पाद क्या होगा।
यह विधि विनिर्माण के लिए एक नया मार्ग प्रदान करती है। क्योंकि शुरुआती सामग्रियां शुद्ध धातुएं हैं, इसलिए उन्हें स्टोर करना आसान और संभालना सुरक्षित है। उन्हें मानक औद्योगिक मशीनों का उपयोग करके प्लास्टिक या कांच के बड़े रोल पर जमा किया जा सकता है, जिसे 'रोल-टू-रोल मैन्युफैक्चरिंग' कहा जाता है। एक बार जब धातु की चादर स्थापित हो जाती है, तो तरल मिश्रण को उसके ऊपर फैलाया जा सकता है ताकि सौर सेल या प्रकाश-उत्सर्जक उपकरण की सक्रिय परत तुरंत बनाई जा सके। यह जटिल, महंगे और खतरनाक रासायनिक अग्रदूतों (प्रिकर्सर्स) की आवश्यकता को समाप्त करता है। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि यह दृष्टिकोण अगली पीढ़ी की ऊर्जा प्रौद्योगिकियों के उत्पादन को बहुत आसान बना सकता है, जिससे साधारण धातु फिल्मों को भविष्य को शक्ति देने वाली परिष्कृत सामग्रियों में बदला जा सके।
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