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Ammonium thiocyanate enables in-situ structural templating of MAPbI3 via quasi-2D perovskite scaffold

यह अध्ययन प्रकट करता है कि अमोनियम थायोसाइनेट MAPbI₃ पेरोवस्काइट सौर सेल के प्रदर्शन को 2D परतों के माध्यम से आवेश परिवहन को सुगम बनाकर नहीं, बल्कि अत्यधिक व्यवस्थित 3D पेरोवस्काइट क्रिस्टल के विकास के लिए एक संरचनात्मक टेम्पलेट के रूप में कार्य करने वाले जाली-मिलान वाले मचान (lattice-matched scaffold) को बनाने हेतु अर्ध-2D चरण निर्माण को गतिक रूप से नियंत्रित करके बढ़ाता है।

मूल लेखक: Sophie Tucker, Isaac Metcalf, Rachel C. Kilbride, Elena J. Cassella, Jessica H. Persaud, Faiz Mandani, Niranjana Raj, Max Allen, Charlie H. G. Nicholls, David G. Lidzey, Alice L. B. Pyne, Robert D. J.

प्रकाशित 2026-10-30

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Sophie Tucker, Isaac Metcalf, Rachel C. Kilbride, Elena J. Cassella, Jessica H. Persaud, Faiz Mandani, Niranjana Raj, Max Allen, Charlie H. G. Nicholls, David G. Lidzey, Alice L. B. Pyne, Robert D. J. Oliver, Silvia Motti, Jacky Even, Aditya D. Mohite, Alexandra J. Ramadan

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

पेरोवस्काइट्स नामक सामग्रियों के एक वर्ग से बने सौर सेल स्वच्छ ऊर्जा के भविष्य के लिए बड़ी संभावना रखते हैं। ये सामग्रियां बनाने में सस्ती होती हैं और इन्हें लचीली सतहों पर छापा जा सकता है, लेकिन इन्हें एक बड़ी बाधा का सामना करना पड़ता है: नमी और हवा के संपर्क में आने पर ये अक्सर अस्थिर हो जाते हैं। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने 'क्वासी-टू-डायमेंशनल' (quasi-two-dimensional) पेरोवस्काइट्स के रूप में एक रूपांतर विकसित किया है। एक ऐसे सैंडविच की कल्पना करें जहाँ अत्यधिक कुशल, प्रकाश-अवशोषक परतों को मोटे, पानी से बचाने वाले कार्बनिक शीट्स (organic sheets) द्वारा अलग किया गया हो। ये कार्बनिक शीट्स एक सुरक्षात्मक अवरोध के रूप में कार्य करती हैं, जो आंतरिक परतों को नमी से बचाती हैं और सौर सेल को बहुत अधिक टिकाऊ बनाती हैं। हालाँकि, इस सुरक्षा की एक कीमत चुकानी पड़ती है। मोटी कार्बनिक परतें बिजली के प्रवाह को रोक सकती हैं, और यह सामग्री अक्सर विभिन्न परतों की मोटाई के एक अव्यवस्थित मिश्रण के रूप में बनती है, जो ऊर्जा को रोक देती है और उस शक्ति को कम कर देती है जिसे सेल उत्पन्न कर सकता है। वर्षों से, शोधकर्ता इन स्तरित संरचनाओं की स्थिरता बनाए रखने के साथ-साथ उनकी बिजली संचालित करने की क्षमता से समझौता न करने का तरीका खोजने के लिए संघर्ष कर रहे थे।

हाल ही के एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने अमोनियम थायोसाइनेट (ammonium thiocyanate) नामक एक सामान्य रासायनिक योज्य (additive) की जांच की, जिसका उपयोग इन सौर सेल्स को सुधारने के लिए किया जाता रहा है लेकिन जिसका सटीक कार्य एक रहस्य बना हुआ था। प्रचलित धारणा यह थी कि यह योजक कार्बनिक परतों को लंबवत खड़ा करने के लिए मजबूर करता है, जैसे कि किनारों पर रखी किताबों का ढेर, जिससे बिजली आसानी से प्रवाहित हो सके। शोधकर्ताओं ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए पेरोवस्काइट सामग्री की पतली फिल्में बनाने के लिए दो अलग-अलग प्रकार के कार्बनिक अणुओं का उपयोग किया, जिनमें से एक दूसरे की तुलना में थोड़ा लंबा 'चेन' वाला था, और यह देखा कि योजक के साथ और उसके बिना सामग्री कैसे बनती है। उन्होंने वास्तविक समय में फिल्मों के बनने की प्रक्रिया को देखा, यह मापा कि वे प्रकाश को कैसे अवशोषित करती हैं, और परमाणुओं की व्यवस्था को देखने के लिए शक्तिशाली एक्स-रे किरणों का उपयोग किया।

उन्होंने जो खोजा उसने पिछली समझ को पूरी तरह उलट दिया। योजक ने केवल कार्बनिक परतों को सीधा खड़ा करने के लिए पुनर्गठित नहीं किया। इसके बजाय, इसने एक मार्गदर्शक के रूप में कार्य किया जिसने सामग्री को शुरुआत से ही एक अत्यधिक व्यवस्थित, त्रि-आयामी (three-dimensional) क्रिस्टल संरचना बनाने में मदद की। शोधकर्ताओं ने पाया कि योजक ने क्रिस्टलीकरण की प्रक्रिया को धीमा कर दिया, जिससे परमाणुओं को एक अव्यवस्थित अवस्था में जल्दबाजी करने के बजाय खुद को एक आदर्श पैटर्न में व्यवस्थित करने के लिए अधिक समय मिला। उन नमूनों में जिनमें लंबे-चेन वाले कार्बनिक अणु का उपयोग किया गया था, योजक ने एक विशिष्ट, समस्याग्रस्त परत की मोटाई के निर्माण को सफलतापूर्वक रोका जो बिजली के लिए बाधा के रूप में कार्य करती है। इसने मध्यवर्ती परतों (intermediate layers) के विकास को प्रोत्साहित किया जो एक अस्थायी मचान (scaffold) के रूप में कार्य करती थीं, जिससे अंतिम, अत्यधिक कुशल त्रि-आयामी क्रिस्टल को एक पूर्णतः संरेखित अभिविन्यास में बढ़ने में मदद मिली। इसके परिणामस्वरूप एक ऐसी सामग्री प्राप्त हुई जो न केवल अधिक स्थिर थी बल्कि बिजली के संचलन में भी बहुत बेहतर थी।

इस नए तंत्र के प्रमाण परमाणुओं की व्यवस्था के तरीके में मिले। एक्स-रे स्कैटरिंग का उपयोग करते हुए, टीम ने देखा कि योजक ने त्रि-आयामी क्रिस्टल तलों (planes) को इस तरह संरेखित किया कि (110) तल सबस्ट्रेट (substrate) के समानांतर था, जो ऊर्जा निकालने के लिए एक आदर्श विन्यास है। यह संरेखण इतना सटीक था कि यह मलबे के ढेर के बजाय एक आदर्श रूप से टाइल किए गए फर्श जैसा दिखता था। महत्वपूर्ण रूप से, यह प्रभाव तभी हुआ जब योजक ने विशिष्ट लंबे-चेन वाले कार्बनिक अणु के साथ परस्पर क्रिया की। जब शोधकर्ताओं ने छोटे-चेन वाले अणु का उपयोग किया, तो योजक उन समस्याग्रस्त परतों को बनने से रोकने में विफल रहा, और सामग्री अव्यवस्थित बनी रही। इससे सिद्ध हुआ कि योजक की सफलता सामग्री के सामान्य प्रभाव के बजाय योजक और कार्बनिक अणु के बीच एक विशिष्ट रासायनिक मिलान पर निर्भर थी।

इस खोज का प्रभाव सौर सेल्स के प्रदर्शन में तुरंत दिखाई दिया। लंबे-चेन वाले अणु और योजक के साथ बनाए गए उपकरणों ने बिना इसके बनाए गए उपकरणों की तुलना में काफी अधिक बिजली का उत्पादन किया। उनके द्वारा उत्पन्न करंट की मात्रा काफी बढ़ गई, जो लगभग 9.2 से बढ़कर 17.1 mA cm⁻² हो गई, और बिजली में बदलने की समग्र दक्षता एक मामूली स्तर से बढ़कर एक बहुत ही प्रतिस्पर्धी आंकड़े तक पहुँच गई। यह सुधार इसलिए हुआ क्योंकि नई, व्यवस्थित संरचना ने आवेशों (charges) को ग्रेन बाउंड्रीज़ (grain boundaries) पर अटके बिना या अवांछित पतली परतों द्वारा बाधित हुए बिना स्वतंत्र रूप से घूमने की अनुमति दी। शोधकर्ताओं ने यह भी पुष्टि की कि योजक ने केवल मौजूदा सामग्री के दोषों को ठीक नहीं किया; इसने मौलिक रूप से इस बात को बदल दिया कि सामग्री कैसे बढ़ती है। परमाणुओं को उनके सही स्थान खोजने के लिए समय की अवधि को बढ़ाकर, योजक ने एक उच्च-गुणवत्ता वाले क्रिस्टल के निर्माण की अनुमति दी जो इन जटिल, स्तरित प्रणालियों में पहले कठिन था।

यह कार्य सुझाव देता है कि बेहतर सौर सेल की कुंजी केवल समस्याओं को ठीक करने के लिए रसायन जोड़ने में नहीं है, बल्कि इस बात को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करने में है कि सामग्री कैसे बनती है। अध्ययन दर्शाता है कि क्रिस्टलीकरण की प्रक्रिया को धीमा करके और अणुओं के सही संयोजन का उपयोग करके, वैज्ञानिक सामग्री को एक अत्यधिक कुशल संरचना बनाने के लिए निर्देशित कर सकते हैं। हालांकि यह योजक प्रत्येक परीक्षण किए गए कार्बनिक अणु के लिए काम नहीं आया, लेकिन लंबे-चेन वाले संस्करण के साथ इसकी सफलता भविष्य के सौर सेल डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करती है। यह दिखाता है कि सही रासायनिक भागीदारों के साथ, ऐसे पेरोवस्काइट पदार्थ बनाना संभव है जो तत्वों के प्रति स्थिर भी हों और ऊर्जा प्राप्त करने में कुशल भी, जो हमें सौर ऊर्जा के विश्वसनीय और किफायती भविष्य के करीब लाता है।

तकनीकी सारांश: अमोनियम थायोसयनेट (Ammonium Thiocyanate) क्वासी-2D पेरोवस्काइट स्कैफोल्ड के माध्यम से MAPbI $_3$ के इन-सीटू (In-Situ) संरचनात्मक टेम्प्लेटिंग को सक्षम बनाता है

समस्या विवरण
क्वासी-टू-डायमेंशनल (quasi-2D) रडलसन-पोपर (Ruddlesden-Popper) पेरोवस्काइट्स, अपने थ्री-डायमेंशनल (3D) समकक्षों की तुलना में बेहतर नमी स्थिरता प्रदान करते हैं, लेकिन कम पावर कन्वर्जन एफिशिएंसी (PCE) से ग्रस्त रहते हैं। यह प्रदर्शन अंतराल कम आउट-ऑफ-प्लेन चार्ज मोबिलिटी, बढ़ते एक्सिटॉन बाइंडिंग एनर्जी और फेज़ इनहोमोजेनिटी (phase inhomogeneity) के कारण होता है। विशेष रूप से, क्वासी-2D फिल्मों में अक्सर विभिन्न परतों की संख्या ( $n$ ) वाले चरणों (phases) का मिश्रण होता है, जहाँ लो- $n$ डोमेन (जैसे, $n=1$ ) चार्ज ब्लॉकिंग परत और पुनर्संयोजन साइट (recombination sites) के रूप में कार्य करते हैं। जबकि अमोनियम थायोसयनेट (NH $_4$ SCN) का व्यापक रूप से डिवाइस प्रदर्शन को सुधारने और क्वासी-2D पेरोवस्काइट्स में वर्टिकल ओरिएंटेशन प्रेरित करने के लिए एक एडिटिव के रूप में उपयोग किया जाता है, इसके अंतर्निहित तंत्र (mechanism) को ठीक से समझा नहीं गया है। पिछली रिपोर्टों से पता चलता है कि NH $_4$ SCN या तो 2D परतों के वर्टिकल ओरिएंटेशन को प्रेरित करता है या उनके माध्यम से चार्ज ट्रांसफर को सुगम बनाता है, लेकिन एक विस्तृत संरचनात्मक तंत्र स्थापित नहीं किया गया है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
लेखकों ने तीन सुगंधित स्पेसर कैटायन्स: 4-फ्लोरो-फेनेथिलअमोनियम (FPEA), 4-फ्लोरो-बेंजिलअमोनियम (FBZA), और 4-फ्लोरो-फिनाइलअमोनियम (FPA) का उपयोग करके = 4 रडलसन-पोपर पेरोवस्काइट्स में NH $_4$ SCN की भूमिका की जांच की। फिल्मों को NH $_4$ SCN की विभिन्न सांद्रता (Pb के सापेक्ष 25 मोल% पर अनुकूलित) के साथ वन-स्टेप स्पिन-कोटिंग के माध्यम से तैयार किया गया था।

अध्ययन ने एक मल्टी-मोडल लक्षण वर्णन दृष्टिकोण (multi-modal characterization approach) का उपयोग किया:

इन-सीटू फोटोल्यूमिनेसेंस (In-situ PL): स्पिन-कोटिंग के दौरान क्रिस्टलीकरण गतिकी (crystallization kinetics) और फेज़ विकास की निगरानी करने के लिए।
ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी: फेज़ संरचना और बैंडगैप परिवर्तनों की पहचान करने के लिए UV-Vis अवशोषण और स्टेडी-स्टेट PL।
टाइम-रिज़ॉल्व्ड PL (TRPL) और PL क्वांटम यील्ड (PLQY): कैरियर लाइफटाइम और रेडिएटिव रिकॉम्बिनेशन दक्षता का आकलन करने के लिए।
एटॉमिक फ़ोर्स माइक्रोस्कोपी (AFM): सतह की आकृति विज्ञान (surface morphology) और ग्रेन साइज का विश्लेषण करने के लिए।
ग्रेजिंग-इन्सिडेंस वाइड-एंगल एक्स-रे स्कैटरिंग (GIWAXS): सतह और बल्क दोनों क्षेत्रों में क्रिस्टल संरचना, फेज़ शुद्धता, डोमेन ओरिएंटेशन और लैटिस पैरामीटर्स निर्धारित करने के लिए।
डिवाइस फैब्रिकेशन: संरचनात्मक निष्कर्षों को फोटोवोल्टिक प्रदर्शन मेट्रिक्स (J-V कर्व्स, EQE, PCE) के साथ सह-संबंधित करने के लिए p-i-n सौर सेल (ITO/MeO-2PACz/Perovskite/C60/BCP/Ag) बनाए गए।

मुख्य निष्कर्ष और परिणाम

कार्य करने का तंत्र (Mechanism of Action): इस प्रचलित धारणा के विपरीत कि NH $_4$ SCN मुख्य रूप से 2D परतों के वर्टिकल ओरिएंटेशन को प्रेरित करता है, लेखक यह प्रदर्शित करते हैं कि एडिटिव क्वासी-2D स्कैफोल्ड फेजेस द्वारा प्रमुख 3D MAPbI $_3$ फेज़ के इन-सीटू संरचनात्मक टेम्प्लेटिंग (in-situ structural templating) को सक्षम बनाता है।
फेज़ नियंत्रण और गतिकी (Phase Control and Kinetics):
- FPEA-आधारित सिस्टम में, NH $_4$ SCN न्यूक्लिएशन को महत्वपूर्ण रूप से विलंबित करता है, जिससे थर्मोडायनामिक रूप से प्रतिकूल लेकिन काइनेटिक रूप से अनुकूल $n=1$ फेज़ का दमन होता है।
- यह विलंब उच्च- $n$ क्वासी-2D मध्यवर्ती फेजेस ( $n \ge 2$ ) के निर्माण को बढ़ावा देता है।
- इन उच्च- $n$ फेजेस के लैटिस पैरामीटर्स MAPbI $_3$ के (110) प्लेन (MAPbI $_3$ के लिए 6.131 Å बनाम 6.12 Å) के साथ निकटता से मेल खाते हैं, जो अत्यधिक व्यवस्थित, (110)-ओरिएंटेड 3D पेरोवस्काइट डोमेन्स के एपिटैक्सियल विकास के लिए एक स्कैफोल्ड के रूप में कार्य करते हैं।
- इसके विपरीत, FBZA-आधारित सिस्टम इस टेम्प्लेटिंग में विफल रहे। FBZA स्पेसर ने $n=1$ फेज़ को स्थिर किया और उच्च- $n$ इंटरमीडिएट के गठन को रोका, जो संभवतः स्टेरिक हिंड्रेंस (steric hindrance) और मजबूत DMF समन्वय (coordination) के कारण हुआ, जिसके परिणामस्वरूप कोई महत्वपूर्ण संरचनात्मक सुधार या टेम्प्लेटिंग नहीं हुई।
संरचनात्मक साक्ष्य:
- GIWAXS डेटा ने FPEA + NH $_4$ SCN के लिए $n=1$ (002) रिफ्लेक्शन के विलोपन और MAPbI $_3$ (110) पीक के शिफ्ट को दिखाया, जो डेबी-शेरर रिंग्स (Debye-Scherrer rings) से ब्रैग स्पॉट्स (Bragg spots) में संक्रमण के साथ हुआ, जो पॉलीक्रिस्टलाइन से अत्यधिक प्रेफरेंशियल ओरिएंटेड ग्रोथ की ओर संक्रमण को दर्शाता है।
- GIWAXS में उच्च- $n$ फेजेस के लिए लो-Q (002) रिफ्लेक्शन की अनुपस्थिति, जो अवशोषण स्पेक्ट्रा में मौजूद हैं, यह सुझाव देती है कि ये फेजेस बड़े, ओरिएंटेड 2D परतों के बजाय बल्क के भीतर अत्यंत छोटे, अलग या ट्रांसलेशनल रूप से अव्यवस्थित टेम्प्लेट्स के रूप में मौजूद हैं।
- FPEA नमूनों में देखा गया PL एमिशन रेडशिफ्ट, स्कैफोल्ड के साथ लैटिस मैचिंग के कारण 3D फेज़ में बैंडगैप संकुचन के कारण है, न कि केवल SCN $^-$ पैसिवेशन के कारण (क्योंकि शुद्ध MAPbI $_3$ जिसमें NH $_4$ SCN था, में ऐसा कोई शिफ्ट नहीं दिखा)।
आकृति विज्ञान और इलेक्ट्रॉनिक सुधार:
- NH $_4$ SCN उपचार ने FPEA फिल्मों में ग्रेन साइज बढ़ाया और सतह की खुरदरापन (roughness) को कम किया।
- FPEA के लिए PLQY काफी बढ़ गया (~0.6% से ~1.1%) और कैरियर लाइफटाइम बढ़ गया, जो कम डिफेक्ट डेंसिटी और ट्रैप स्टेट्स को दर्शाता है।
फोटोवोल्टिक प्रदर्शन:
- FPEA डिवाइसेस: संरचनात्मक सुधारों ने PCE को 4.6% (प्रिस्टीन) से बढ़ाकर 13.2% (NH $_4$ SCN-ट्रीटेड) कर दिया। यह शॉर्ट-सर्किट करंट ( $J_{SC}$ ) और फिल फैक्टर (FF) में बड़ी वृद्धि से प्रेरित था, जिसका श्रेय चार्ज-ब्लॉकिंग $n=1$ फेजेस को हटाने और बेहतर क्रिस्टलिनिटी को दिया गया है।
- FBZA डिवाइसेस: एडिटिव के साथ भी प्रदर्शन कम रहा (2.3%), क्योंकि इसमें $n=1$ फेज़ बना रहा और टेम्प्लेटिंग की कमी रही।
- $V_{OC}$ ट्रेड-ऑफ: उपचारित डिवाइसेस में ओपन-सर्किट वोल्टेज ( $V_{OC}$ ) में मामूली कमी देखी गई, जिसका कारण 3D फेज़ में बैंडगैप का संकुचन है।

महत्व और दावे
यह शोध दावा करता है कि क्वासी-2D पेरोवस्काइट्स में NH $_4$ SCN का प्राथमिक लाभ 2D परतों के वर्टिकल अलाइनमेंट का होना नहीं है, बल्कि काइनेटिक कंट्रोल ऑफ फेज़ डिस्ट्रीब्यूशन है जो अत्यधिक क्रिस्टलीय, ओरिएंटेड 3D पेरोवस्काइट के इन-सीटू टेम्प्लेटेड ग्रोथ को सुगम बनाता है।

लेखक का तर्क है कि यह टेम्प्लेटिंग तंत्र कैटायन-डिपेंडेंट (cation-dependent) है, जिसके लिए दो विशिष्ट शर्तों की आवश्यकता है:

एडिटिव को प्रभावी ढंग से $n=1$ फेज़ को दबाना चाहिए और उच्च- $n$ क्वासी-2D इंटरमीडिएट्स को बढ़ावा देना चाहिए।
उच्च- $n$ क्वासी-2D स्कैफोल्ड और लक्षित 3D फेज़ के बीच निकट लैटिस मिलान (lattice matching) होना चाहिए।

यह कार्य 2D पेरोवस्काइट्स में एडिटिव प्रभावों की पिछली व्याख्याओं को चुनौती देता है और एडिटिव डिजाइन के लिए एक संरचनात्मक आधार प्रदान करता है। लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि क्वासी-2D फोटोवोल्टिक्स को अनुकूलित करने के लिए प्रिकर्सर सॉल्यूशन को काइनेटिक ट्रैप्स (जैसे $n=1$ का निर्माण) को बायपास करने और उच्च-गुणवत्ता वाले 3D विकास के लिए क्षणिक स्कैफोल्ड के रूप में क्वासी-2D फेजेस का उपयोग करने के लिए इंजीनियर करना आवश्यक है, न कि केवल चार्ज ट्रांसपोर्ट के लिए 2D परतों पर निर्भर रहना।

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