Correlated Oxide Nanocrystal Inks for Hole-Selective Contacts in n-i-p Perovskite Photovoltaics
यह शोध पत्र जलीय NiOₓ नैनोक्रिस्टल को गैरध्रुवीय प्रवाहकीय स्याही में बदलने के लिए एक दो-चरणीय लिगैंड-विनिमय रणनीति प्रस्तुत करता है, जो n-i-p पेरोव्स्काइट सौर सेल के लिए उच्च-प्रदर्शन वाले, डोपिंग-मुक्त होल-चयनात्मक संपर्कों को सक्षम बनाता है जो पारंपरिक Spiro-OMeTAD-आधारित उपकरणों से बेहतर प्रदर्शन करते हैं।
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सूर्य का प्रकाश एक शक्तिशाली संसाधन है, लेकिन इसे कुशलतापूर्वक पकड़ने के लिए ऐसे पदार्थों की आवश्यकता होती है जो न केवल प्रकाश को अवशोषित कर सकें बल्कि उससे उत्पन्न बिजली को सही स्थान तक पहुँचा भी सकें। सौर सेल की दुनिया में, इस मार्गदर्शन की भूमिका अक्सर एक विशिष्ट प्रकार के पदार्थ द्वारा निभाई जाती है जिसे अर्धचालक (सेमीकंडक्टर) कहा जाता है। दशकों से, वैज्ञानिक सौर सेल के माध्यम से धनात्मक विद्युत आवेशों, जिन्हें 'होल्स' (holes) कहा जाता है, को स्थानांतरित करने के लिए कार्बनिक यौगिकों पर निर्भर रहे हैं। हालांकि ये कार्बनिक सामग्रियां अच्छी तरह काम करती हैं, लेकिन उनमें एक बड़ा दोष है: उन्हें बनाना महंगा है, उन्हें कार्य करने के लिए अक्सर अस्थिर रासायनिक योजकों (additives) की आवश्यकता होती है, और वे गर्मी एवं नमी के संपर्क में आने पर जल्दी खराब हो सकती हैं। इसने शोधकर्ताओं को अकार्बनिक विकल्पों की ओर देखने के लिए प्रेरित किया है, विशेष रूप से धातु ऑक्साइड की ओर, जो स्वाभाविक रूप से मजबूत और सस्ते होते हैं। इनमें, निकल ऑक्साइड नामक एक पदार्थ एक आशाजनक उम्मीदवार के रूप में उभरता है क्योंकि यह उन अस्थिर योजकों की आवश्यकता के बिना स्वाभाविक रूप से धनात्मक आवेशों का संचालन करता है। हालांकि, एक बड़ी बाधा जिसने इसे सबसे उन्नत सौर सेल डिजाइनों में उपयोग किए जाने से रोका है, वह है: इसे बनाने का वर्तमान तरीका इसे पानी में संसाधित करने के लिए मजबूर करता है, जो उस नाजुक प्रकाश-अवशोषक परत को नष्ट कर देता है जिसके ऊपर इसे बैठना होता है।
टोक्यो विश्वविद्यालय की शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया तरीका विकसित करके इस लंबे समय से चले आ रहे संकट को हल कर दिया है, जिससे निकल ऑक्साइड को एक तरल स्याही में बदला जा सके जिसे पानी का उपयोग किए बिना सौर सेल पर पेंट किया जा सके। उनके कार्य में, जो हाल ही में प्रकाशित हुआ है, विस्तार से बताया गया है कि कैसे उन्होंने निकल ऑक्साइड के सूक्ष्म कणों को एक जल-आधारित मिश्रण से एक गैर-जल-आधारित घोल में बदल दिया जो बिजली का संचालन करने की अपनी क्षमता बनाए रखता है। ऐसा करके, उन्होंने इस टिकाऊ, अकार्बनिक सामग्री के उपयोग को आज उपलब्ध सबसे कुशल प्रकार के सौर सेल आर्किटेक्चर में सक्षम बनाया। परिणाम यह है कि एक ऐसा सौर सेल जो न केवल वर्तमान उद्योग मानक से बेहतर प्रदर्शन करता है, बल्कि कठोर पर्यावरणीय परिस्थितियों में बहुत बेहतर तरीके से टिकता भी है, जो सस्ते और अधिक लंबे समय तक चलने वाले सौर ऊर्जा की दिशा में एक मार्ग प्रदान करता है।
यह समझने के लिए कि यह एक बड़ी सफलता क्यों है, व्यक्ति को पहले उन सौर सेल की संरचना को देखना चाहिए जिनमें शोधकर्ता सुधार करने का प्रयास कर रहे हैं। वर्तमान में सबसे कुशल सौर सेल एक लेयर्ड डिज़ाइन का उपयोग करते हैं जहाँ एक प्रकाश-अवशोषक सामग्री, जिसे पेरोव्स्काइट (perovskite) कहा जाता है, बिजली का परिवहन करने वाली दो परतों के बीच स्थित होती है। उस विशिष्ट डिज़ाइन में जिसे शोधकर्ताओं ने लक्षित किया है, प्रकाश-अवशोषक परत को ऋणात्मक आवेशों को स्थानांतरित करने वाली एक निचली परत और धनात्मक आवेशों को स्थानांतरित करने वाली एक ऊपरी परत के बीच सैंडविच किया गया है। वर्षों से, वैज्ञानिकों ने एक अलग, कम कुशल डिज़ाइन में इस ऊपरी परत के रूप में जल-आधारित निकल ऑक्साइड कणों का सफलतापूर्वक उपयोग किया है। हालांकि, जब उन्होंने अधिक कुशल डिज़ाइन में पेरोव्स्काइट के ऊपर इस जल-आधारित परत को रखने का प्रयास किया, तो पानी ने पेरोव्स्काइट को नुकसान पहुँचाया, जिससे सेल खराब हो गया। चुनौती यह थी कि निकल ऑक्साइड के कणों को पानी से निकालकर एक ऐसे विलायक (solvent) में कैसे लाया जाए जो पेरोव्स्काइट को नुकसान न पहुँचाए, और ऐसा करते समय उनकी बिजली संचालित करने की क्षमता भी न खोई जाए।
शोधकर्ताओं ने इन निकल ऑक्साइड कणों की मौलिक प्रकृति का अध्ययन करना शुरू किया ताकि यह समझ सकें कि वे अपने परिवेश के साथ कैसे अंतःक्रिया करते हैं। उन्होंने पाया कि पानी में, इन सूक्ष्म कणों की सतह पर हाइड्रोजन परमाणु होते हैं जो छोटे चुंबकों की तरह कार्य करते हैं, जो पानी के अणुओं को आकर्षित करते हैं और कणों को अलग रखते हैं। उन्हें पानी से बाहर निकालने के लिए, टीम ने एक चतुर दो-चरणीय प्रक्रिया तैयार की। सबसे पहले, उन्होंने एक ऐसे रसायन को पेश किया जो अस्थायी रूप से इन सतह-चुंबकों से जुड़ सकता था, जो प्रभावी रूप से पानी-प्रेमी कणों और एक नए, तेल जैसे विलायक के बीच एक सेतु का काम करता था। इस चरण ने उन्हें कणों को पानी से बाहर निकालने और एक ऐसी अवस्था में लाने की अनुमति दी जहाँ उन्हें धोया और अगले चरण के लिए तैयार किया जा सके।
दूसरे चरण में, शोधकर्ताओं ने इस अस्थायी सेतु को विशिष्ट कार्बनिक अणुओं से बनी एक स्थायी कोटिंग से बदल दिया। इन अणुओं का एक 'हेड' (शीर्ष) होता है जो निकल ऑक्साइड कण से मजबूती से चिपक जाता है और एक लंबी 'टेल' (पूंछ) होती है जो नए, गैर-जल विलायक को पसंद करती है। शोधकर्ताओं ने इन पूंछों के आकार और रासायनिक संरचना का सावधानीपूर्वक चयन किया ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि कण आपस में न चिपके और बिजली का प्रवाह आसानी से हो सके। उन्होंने पाया कि सही अणुओं का संयोजन एक स्थिर, चालक स्याही बनाता है जो एक पतली, एकसमान फिल्म के रूप में फैलाई जा सकती है। यह फिल्म धनात्मक आवेशों के लिए एक आदर्श राजमार्ग के रूप में कार्य करती है, जिससे वे बिना अटके या बाधित हुए स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं।
जब शोधकर्ताओं ने इस नई निकल ऑक्साइड स्याही का उपयोग करके सौर सेल बनाए, तो परिणाम तत्काल और प्रभावशाली थे। उनके द्वारा बनाए गए उपकरण 25.8 प्रतिशत की दक्षता के साथ सूर्य के प्रकाश को बिजली में बदलने में सक्षम थे। यह एक महत्वपूर्ण उपलब्धि है क्योंकि यह वर्तमान सर्वश्रेष्ठ सौर सेल जो महंगे कार्बनिक पदार्थ स्पाइरो-ओमेटी-एड (Spiro-OMeTAD) का उपयोग करते हैं, उनके प्रदर्शन को भी पीछे छोड़ देता है। इसके अलावा, नए सेल केवल शुरुआत में ही अच्छा प्रदर्शन नहीं करते थे; वे बहुत अधिक टिकाऊ भी सिद्ध हुए। जब उच्च गर्मी और आर्द्रता जैसी स्थितियों के तहत परीक्षण किया गया, जो आमतौर पर सौर सेल को तेजी से खराब होने का कारण बनती हैं, तो निकल ऑक्साइड उपकरणों ने 300 घंटों से अधिक समय के बाद भी अपनी 90 प्रतिशत से अधिक शक्ति बनाए रखी। इसके विपरीत, पारंपरिक कार्बनिक पदार्थ का उपयोग करने वाले सेल ने समान समय सीमा में अपनी दक्षता का बहुत बड़ा हिस्सा खो दिया।
इस कार्य की सफलता उस सटीक नियंत्रण में निहित है जो शोधकर्ताओं ने स्याही की केमिस्ट्री पर किया। यह समझकर कि कण कोटिंग अणुओं के साथ कैसे अंतःक्रिया करते हैं, वे ऊर्जा स्तरों को ट्यून करने में सक्षम रहे ताकि बिजली का प्रवाह सुचारू और कुशल हो। उन्होंने यह भी प्रदर्शित किया कि नई स्याही को बिना किसी नुकसान के सीधे नाजुक पेरोव्स्काइट परत पर लगाया जा सकता है, जो इस प्रकार की सामग्री के साथ पहले असंभव माना जाता था। यह उपलब्धि बताती है कि उच्च-दक्षता वाले सौर सेल का भविष्य जटिल, महंगे कार्बनिक रसायनों पर नहीं, बल्कि सरल, मजबूत अकार्बनिक सामग्रियों पर निर्भर हो सकता है जिन्हें आसानी से और सस्ते में संसाधित किया जा सकता है।
इस शोध के निहितार्थ केवल एक एकल सौर सेल तक ही सीमित नहीं हैं। यह सिद्ध करके कि निकल ऑक्साइड को एक स्थिर, गैर-जल-आधारित स्याही में संसाधित किया जा सकता है, टीम ने इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की एक विस्तृत श्रृंखला में उपयोग के लिए सामग्रियों के एक नए वर्ग के द्वार खोल दिए हैं। उनके द्वारा विकसित विधि बहुमुखी है और इसे अन्य धातु ऑक्साइडों के लिए भी अनुकूलित किया जा सकता है, जो नाजुक इलेक्ट्रॉनिक वातावरण में अकार्बनिक सामग्रियों को संसाधित करने की समस्या के लिए एक सामान्य समाधान प्रदान करता है। जैसे-जैसे दुनिया अधिक टिकाऊ और कुशल ऊर्जा समाधानों की तलाश कर रही है, टिकाऊ, कम लागत वाली सामग्रियों का उपयोग करके उच्च-प्रदर्शन वाले सौर सेल बनाने की क्षमता एक महत्वपूर्ण कदम है। यह कार्य उस लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए एक स्पष्ट और व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है, जो सौर तकनीक को एक ऐसे भविष्य के करीब ले जाता है जहाँ स्वच्छ ऊर्जा शक्तिशाली और सुलभ दोनों है।
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