Stable AgBiS2 near-infrared absorbers for thin film tandem photovoltaics

सूर्य का प्रकाश ऊर्जा की एक विशाल, असमान नदी है, जिसमें बैंगनी रंग से लेकर अदृश्य इन्फ्रारेड तक के रंग शामिल हैं जिसे हम देख सकते हैं और जो हमारी त्वचा को गर्माहट देता है। दशकों से, इस ऊर्जा को पकड़ने का सबसे कुशल तरीका एक ही सामग्री, जैसे कि सिलिकॉन का उपयोग करना रहा है, जो प्रकाश को बिजली में बदलने के लिए काम आती है। लेकिन एक एकल सामग्री एक निश्चित आकार के छेदों वाली छलनी की तरह कार्य करती है; यह कुछ रंगों को अच्छी तरह से पकड़ती है लेकिन अन्य रंगों को अपने भीतर से गुजरने देती है, जिससे उनकी ऊर्जा गर्मी के रूप में बर्बाद हो जाती है। इस नदी को अधिक पकड़ने के लिए, वैज्ञानिकों ने अलग-अलग सामग्रियों को एक के ऊपर एक रखने की ओर रुख किया है, जिससे "टैंडम" (tandem) सौर सेल बनते हैं। प्रत्येक परत को सूर्य के स्पेक्ट्रम के एक अलग हिस्से को पकड़ने के लिए ट्यून किया गया है, जो मिलकर उस ऊर्जा को बहुत अधिक मात्रा में एकत्र करते हैं जो एक एकल परत कभी नहीं कर सकती थी। चुनौती हमेशा नीचे की परत के लिए सही सामग्री खोजने की रही है, जिसे पतला, लचीला होना चाहिए और जो इन्फ्रारेड के लंबे, अदृश्य तरंगों को बिना खराब हुए पकड़ सके।

ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम और उनके सहयोगियों ने अब एक नई सामग्री की पहचान की है जो इस समस्या को हल कर सकती है, जो न केवल अधिक कुशल बल्कि बनाने में सस्ती और अधिक स्थिर सौर सेल का मार्ग भी प्रदान करती है। उन्होंने सिल्वर बिस्मथ सल्फाइड नामक एक यौगिक पर ध्यान केंद्रित किया, एक ऐसी सामग्री जिसने एकल-परत सौर सेल में आशा दिखाई थी लेकिन इसे कभी भी एक स्टैक्ड, टैंडम डिवाइस में निचली परत के रूप में सफलतापूर्वक उपयोग नहीं किया गया था। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस सामग्री का एक प्राकृतिक लाभ है: यह वर्तमान अग्रणी उम्मीदवार, जो लेड (सीसा) और टिन का मिश्रण है, की तुलना में इन्फ्रारेड प्रकाश को अधिक प्रभावी ढंग से अवशोषित कर सकती है, और यह हवा के संपर्क में आने पर टूटती नहीं है। इस सामग्री की मोटी फिल्में बिछाने का एक नया तरीका विकसित करके, उन्होंने सिल्वर बिस्मथ सल्फाइड का उपयोग करके पहले कार्यशील टैंडम सौर सेल का प्रदर्शन किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि इसे अत्यधिक कुशल, स्थिर और स्केलेबल ऊर्जा स्रोत बनाने के लिए अन्य परतों के साथ जोड़ा जा सकता है।

इस खोज की यात्रा भौतिकी के एक सरल प्रश्न के साथ शुरू हुई। एक टैंडम सौर सेल में, निचली परत के पास एक विशिष्ट "बैंडगैप" होना चाहिए, जो एक ऐसा शब्द है जो उस न्यूनतम ऊर्जा का वर्णन करता है जिसकी एक सामग्री को प्रकाश को बिजली में बदलने के लिए आवश्यकता होती है। यदि बैंडगैप बहुत अधिक है, तो सामग्री कम ऊर्जा वाले इन्फ्रारेड प्रकाश को अनदेखा कर देती है; यदि यह बहुत कम है, तो यह उच्च ऊर्जा वाले प्रकाश की ऊर्जा को बर्बाद कर देती है। दो-परत वाले सौर सेल के निचले भाग के लिए आदर्श बैंडगैप एक इलेक्ट्रॉनवोल्ट से थोड़ा कम होता है, और तीन-परत वाले सेल के लिए, यह और भी कम होता है। उन्नत सौर सेल में निचले भाग के लिए वर्तमान मानक लेड और टिन का मिश्रण है। हालांकि यह मिश्रण इन्फ्रारेड प्रकाश को अवशोषित करने के लिए ट्यून किया जा सकता है, लेकिन इसका बैंडगैप अभी भी पूर्ण होने के लिए थोड़ा अधिक है, और टिन घटक रासायनिक रूप से अस्थिर है, जो ऑक्सीजन के संपर्क में आने पर सेल को खराब करने के प्रति संवेदनशील है जब तक कि इसे पूरी तरह से सीलबंद, ऑक्सीजन-मुक्त वातावरण में न बनाया जाए।

शोधकर्ताओं ने अपना ध्यान सिल्वर बिस्मथ सल्फाइड की ओर लगाया। इस सामग्री का बैंडगैप स्वाभाविक रूप से लगभग एक इलेक्ट्रॉनवोल्ट होता है, जो लेड-टिन मिश्रण की तुलना में निचले स्तर के लिए आदर्श मान के बहुत करीब है। यह उन तत्वों से भी बना है जो प्रचुर मात्रा में उपलब्ध और गैर-विषाक्त हैं, और लेड-टिन मिश्रण के विपरीत, यह सामान्य हवा में स्थिर रहता है। हालांकि, एक महत्वपूर्ण बाधा थी। पिछले प्रयोगों में, सिल्वर बिसमथ सल्फाइड केवल अत्यंत पतली फिल्मों के रूप में सबसे अच्छा काम करता था, जो केवल कुछ दर्जन नैनोमीटर मोटी होती थीं। ऐसा इसलिए था क्योंकि इस सामग्री का "डिफ्यूजन लेंथ" (विसरण लंबाई) कम था, जिसका अर्थ है कि एक बार जब प्रकाश का कण एक विद्युत आवेश बनाता है, तो वह आवेश बहुत दूर जाने से पहले ही खो जाता है। एक सौर सेल के अच्छे संचालन के लिए, विशेष रूप से जो इन्फ्रारेड प्रकाश को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है, फिल्म को काफी मोटा, लगभग सौ नैनोमीटर या उससे अधिक होना चाहिए ताकि पर्याप्त प्रकाश को अवशोषित किया जा सके। यदि फिल्म बहुत मोटी होती है, तो आवेश फंस जाते हैं और बिजली का प्रवाह रुक जाता है।

इसे दूर करने के लिए, शोधकर्ताओं ने सामग्री तैयार करने का एक नया तरीका विकसित किया। सामग्री को परत दर परत धीरे-धीरे बनाने के बजाय, उन्होंने सिल्वर बिसमथ सल्फाइड के सूक्ष्म क्रिस्टल युक्त एक तरल स्याही बनाई। फिर उन्होंने इन क्रिस्टलों को रासायनिक एजेंटों के मिश्रण, विशेष रूप से ब्रोमाइड और आयोडाइड के साथ उपचारित किया। यह उपचार, जिसे सॉल्यूशन-फेज लिगैंड एक्सचेंज कहा जाता है, ने इन क्रिस्टलों को आपस में मजबूती से जुड़ने और बिजली का बेहतर संचालन करने की अनुमति दी। इसका परिणाम यह था कि फिल्म को एक ही चरण में जमा किया जा सकता था, ठीक वैसे ही जैसे पेंट फैलाना, और इसे बिना टूटे या बिजली ले जाने की क्षमता खोए 340 नैनोमीटर तक मोटा बनाया जा सकता था। यह एक महत्वपूर्ण सफलता थी, क्योंकि इसका मतलब था कि सामग्री अंततः इतनी मोटी हो सकती थी कि वह उस इन्फ्रारेड प्रकाश को पकड़ सके जिसके लिए उसे डिज़ाइन किया गया था।

इस नई, मोटी फिल्म के साथ, टीम ने सिल्वर बिसमथ सल्फाइड का उपयोग करके पहले टैंडम सौर सेल बनाए। उन्होंने दो प्रकार के उपकरण बनाए। पहला एक "फोर-टर्मिनल" टैंडम था, जहाँ दो अलग-अलग सौर सेल एक दूसरे के ऊपर रखे गए थे लेकिन वे एक सर्किट में जुड़े दो अलग बैटरी की तरह स्वतंत्र रूप से संचालित होते थे। उन्होंने सिल्वर बिसमथ सल्फाइड निचले सेल को 'पेरोव्स्काइट' नामक एक अलग सामग्री से बने ऊपरी सेल के साथ जोड़ा। इस संयोजन ने लगभग 24 प्रतिशत की दक्षता उत्पन्न की, जो एक मजबूत परिणाम था जिसने सिद्ध किया कि दोनों सामग्रियां प्रभावी ढंग से एक साथ काम कर सकती हैं। दूसरा प्रकार का "मोनोलिथिक" या "टू-टर्मिनल" टैंडम था, जहाँ परतों को एक एकल, ठोस इकाई में मिला दिया गया था जो एक ही बैटरी के रूप में कार्य करती थी। यह एक बहुत बड़ी इंजीनियरिंग चुनौती थी, जिसके लिए दो सेल के बीच एक विशेष पारदर्शी परत की आवश्यकता थी ताकि बिजली बिना शॉर्ट-सर्किट के उनके बीच प्रवाहित हो सके। जटिलता के बावजूद, टीम ने सफलतापूर्वक ये उपकरण बनाए, जिससे पता चला कि दोनों परतों के वोल्टेज सही ढंग से जुड़ते हैं, जो एक कार्यशील टैंडम सेल के लिए एक प्रमुख आवश्यकता है।

शोधकर्ताओं द्वारा बनाए गए सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि सिल्वर बिसमथ सल्फाइड तीन-परत वाले सौर सेल की सैद्धांतिक दक्षता को लगभग 48 प्रतिशत तक पहुंचा सकता है, जो वर्तमान लेड-टिन तकनीक की 36 प्रतिशत की सीमा से कहीं अधिक है। हालांकि उनके द्वारा बनाए गए उपकरण अभी तक उस सैद्धांतिक शिखर तक नहीं पहुंचे थे, लेकिन प्रायोगिक परिणामों ने पुष्टि की कि यह सामग्री काम करती है और इसे बनाने का नया तरीका व्यवहार्य है। टीम ने अपने नए सेल की स्थिरता का भी परीक्षण किया। उन्होंने सूखे वातावरण में बिना सीलबंद उपकरणों को तीन महीने तक अलमारी में रखा। जबकि लेड-टिन मिश्रण से बने समान उपकरण केवल डेढ़ दिन में ही अपनी अधिकांश शक्ति खो देते, सिल्वर बिसमथ सल्फाइड सेल ने अपनी मूल दक्षता का 90 प्रतिशत से अधिक बरकरार रखा। यह स्थायित्व बताता है कि इस सामग्री से बने भविष्य के सौर पैनलों को महंगे, ऑक्सीजन-मुक्त कमरों की आवश्यकता के बिना नियमित कारखानों में निर्मित किया जा सकता है, जिससे सौर ऊर्जा की लागत कम हो सकती है।

शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि इन फिल्मों को बड़े पैमाने पर बनाना कितना आसान है। उन्होंने अपने नए एकल-चरण विधि की तुलना पुरानी, बहु-चरणीय विधि से की और पाया कि नया दृष्टिकोण काफी तेज़ और सस्ता था। उन्होंने अपनी प्रक्रिया को छोटे प्रयोगशाला नमूनों से बड़े पैनलों तक सफलतापूर्वक बढ़ाया, जिससे यह दिखाया कि जब इसे एक छोटी टाइल के आकार की सतह पर बनाया जाता है, तब भी फिल्म समान और दोष मुक्त रहती है। यह स्केलेबिलिटी प्रयोगशाला की जिज्ञासा से लेकर छत पर उपयोग किए जाने वाले उत्पाद या इमारतों में एकीकृत किए जाने वाले उत्पाद तक जाने के लिए आवश्यक है।

यह कार्य यह नहीं कहता कि समस्या पूरी तरह से हल हो गई है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि उनके सुधारों के बावजूद, सिल्वर बिसमथ सल्फाइड में आवेश अभी भी अपेक्षाकृत जल्दी फंस जाते हैं, जो फिल्म को कितना मोटा बनाया जा सकता है और यह कितना करंट उत्पन्न कर सकता है, इसे सीमित करता है। उन्होंने पहचान की कि अगला कदम सामग्री को और अधिक सुचालक बनाने के तरीके खोजना है, शायद क्रिस्टल की व्यवस्था को बदलकर, ताकि आवेश और भी दूर तक यात्रा कर सकें। हालाँकि, इस अध्ययन ने एक स्पष्ट नया मार्ग स्थापित किया है। यह सिद्ध करके कि सिल्वर बिसमथ सल्फाइड को मोटी, स्थिर और कुशल फिल्मों में बनाया जा सकता है, और पहले टैंडम सौर सेल में इसकी सफलता का प्रदर्शन करके, टीम ने सौर प्रौद्योगिकी की एक नई पीढ़ी के द्वार खोल दिए हैं जो आज की तुलना में अधिक कुशल, अधिक स्थिर और संभावित रूप से बहुत सस्ती है।