Fabrication and Characterization of Mo-Free Cu2ZnSn(S, Se) 2 Solar Cells from Elemental Precursors: The Role of Selenium Addition

तकनीकी सारांश: मौलिक अग्रदूतों (Elemental Precursors) से Mo-मुक्त Cu2ZnSn(S, Se) सौर सेल का निर्माण और लक्षण वर्णन

समस्या विवरण
वैश्विक ऊर्जा परिदृश्य जीवाश्म ईंधन पर अत्यधिक निर्भर है, जिसके लिए सौर ऊर्जा जैसे नवीकरणीय स्रोतों की ओर बदलाव आवश्यक है। जबकि सिलिकॉन-आधारित सौर सेल बाजार पर हावी हैं, प्रचुर मात्रा में उपलब्ध, गैर-विषाक्त तत्वों का उपयोग करने वाली तीसरी पीढ़ी की थिन-फिल्म तकनीकें एक टिकाऊ विकल्प प्रदान करती हैं। विशेष रूप से, केस्टेराइट Cu2ZnSn(S,Se)2 (CZTS) अपने इष्टतम बैंडगैप (1.0–1.5 eV) और उच्च अवशोषण गुणांक के कारण एक आशाजनक अवशोषक सामग्री है। हालांकि, CZTS सौर सेल का व्यावसायीकरण चुनौतियों का सामना कर रहा है, जिसमें महंगे या दुर्लभ पदार्थों (जैसे बैक कॉन्टैक्ट के लिए मोलिब्डेनम और अन्य थिन फिल्मों के लिए इंडियम/गैलियम) पर निर्भरता और वैक्यूम-आधारित निर्माण प्रक्रियाओं की जटिलता शामिल है। इसके अलावा, मौजूदा CZTS उपकरणों में अक्सर माध्यमिक चरणों (secondary phases), पुनर्संयोजन हानि (recombination losses) और उच्च गुणवत्ता वाले p-n जंक्शन बनाने में कठिनाइयों के कारण कम दक्षता देखी जाती है। यह शोध स्थानीय स्तर पर प्राप्त मौलिक अग्रदूतों का उपयोग करके उच्च प्रदर्शन वाले Mo-मुक्त (Molybdenum-free) CZTS सौर सेल बनाने के लिए एक कम लागत वाली, गैर-वैक्यूम निर्माण विधि की आवश्यकता को संबोधित करता है।

कार्यप्रणाली
अध्ययन ने एक नवीन संरचना वाले सौर सेल के निर्माण के लिए सॉल्यूशन-प्रोसेस (सोल-जेल) विधि का उपयोग किया: ITO/TiO2/Cu2ZnSn(S, Se)2/HTM/Pt। यह डिज़ाइन मोलिब्डेनम बैक कॉन्टैक्ट और विषाक्त कैडमियम सल्फाइड (CdS) बफर परत की आवश्यकता को समाप्त करता है, और इसके स्थान पर होल-ट्रांसपोर्ट मटेरियल (HTM) का उपयोग करता है।

• अग्रदूत (Precursors): चार नमूनों को दो प्रकार के अग्रदूतों का उपयोग करके संश्लेषित किया गया था:
  • स्थानीय (L): कॉपर (Cu), जिंक (Zn), टिन (Sn) और सल्फर (S) के मौलिक पाउडर।
  • मानक (N): रासायनिक लवण (जैसे, Cu(CH3CO2)2·H2O, Zn(CH3CO2)2·2H2O, SnCl2·2H2O, SC(NH2)2) और सेलेनियम (Se)।
  • सेलेनियम को CZTSSe वेरिएंट बनाने के लिए जोड़ा गया था ताकि सेलेनियम जुड़ाव की भूमिका की जांच की जा सके।
• निर्माण प्रक्रिया:
  1. अवशोषक संश्लेषण: अग्रदूतों को 2-मेथॉक्सीएथेनॉल में घोला गया, गर्म किया गया और छाना गया। सर्फेक्टेंट के रूप में ट्राइमिथाइलमाइन (TMA) और मोनोएथिलामाइन (MEA) मिलाया गया।
  2. निक्षेपण (Deposition): अवशोषक घोल को TiO2/ITO सबस्ट्रेट्स पर स्पिन-कोट किया गया, जिसे 170°C पर प्रीहीट किया गया और परिवेशी वातावरण में 500°C पर 30 मिनट के लिए कैल्साइन किया गया (बिना H2S सल्फरइजेशन के)।
  3. सेल असेंबली: एक क्वासी-सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट (HTM) लगाया गया, जिसके बाद एक प्लैटिनम (Pt) काउंटर इलेक्ट्रोड लगाया गया।
• लक्षण वर्णन (Characterization): अध्ययन में क्रिस्टलीयता और माध्यमिक चरणों का विश्लेषण करने के लिए रेफरेंस इंटेंसिटी रेश्यो (RiR) पद्धति के साथ एक्स-रे विवर्तन (XRD); आकृति विज्ञान (morphology) के लिए स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM); ऑप्टिकल गुणों (बैंडगैप, अवशोषण) के लिए UV-Vis स्पेक्ट्रोस्कोपी; और PV प्रदर्शन निर्धारित करने के लिए AM 1.5 रोशनी के तहत J-V माप का उपयोग किया गया।

प्रमुख योगदान

• नवीन डिवाइस आर्किटेक्चर: यह कार्य पूरी तरह से गैर-वैक्यूम सॉल्यूशन प्रोसेसिंग द्वारा निर्मित, एक Mo-मुक्त कंडक्टिव लेयर और एक Cd-मुक्त बफर लेयर का उपयोग करके पूर्ण सौर सेल संरचना (ITO/TiO2/CZTSSe/HTM/Pt) के निर्माण की रिपोर्ट करता है।
• स्थानीय सामग्री का उपयोग: यह अध्ययन उच्च-प्रदर्शन वाले सौर अवशोषक के रूप में इंडोनेशिया से प्राप्त स्थानीय मौलिक पाउडर (Cu, Zn, Sn, S) के उपयोग की व्यवहार्यता को प्रदर्शित करता है, जिससे आयातित सामग्रियों पर निर्भरता कम होती है।
• सेलेनियम जुड़ाव विश्लेषण: यह शोध क्रिस्टलीयता, आकृति विज्ञान और इलेक्ट्रॉनिक गुणों पर सेलेनियम के प्रभाव का व्यवस्थित रूप से मूल्यांकन करता है, जिसमें मानक रासायनिक अग्रदूतों के विरुद्ध स्थानीय मौलिक अग्रदूतों की तुलना की गई है।

परिणाम

• क्रिस्टलीयता और चरण शुद्धता: सभी नमूनों ने 17.40% और 31.97% के बीच क्रिस्टलीयता प्रदर्शित की, शेष अनाकार (amorphous) था क्योंकि इसमें H2S सल्फरइजेशन का अभाव था। CZTSSe N (मानक + Se) नमूने में सबसे कम माध्यमिक चरण प्रतिशत (16.2%) और आदर्श गैर-स्टोइकोमेट्रिक Cu-poor/Zn-rich संदर्भ अनुपात (Cu2.1Zn1.25SnS2Se2) से सबसे कम विचलन (16.0% त्रुटि) देखा गया।
• आकृति विज्ञान (Morphology): सेलेनियम के जुड़ने से ग्रेन साइज (grain size) काफी कम हो गया। मानक अग्रदूतों के लिए, ग्रेन साइज 32.8 nm (CZTS N) से घटकर 10.7 nm (CZTSSe N) हो गया। स्थानीय अग्रदूतों के लिए, यह 195.9 nm से घटकर 98.1 nm हो गया। CZTSSe N में छोटा ग्रेन साइज छिद्रपूर्ण (porous) TiO2 सतह पर बेहतर अधिशोषण (adsorption) की सुविधा प्रदान करता है।
• ऑप्टिकल गुण: सेलेनियम के जुड़ाव से अवशोषण शिखर (absorption peaks) में रेडशिफ्ट हुआ और बैंडगैप (Eg) में 0.08–0.28 eV की कमी आई। CZTSSe N ने सबसे छोटा बैंडगैप 1.16 eV प्राप्त किया। फलस्वरूप, इसने 200–1100 nm रेंज में 88.12% की उच्चतम लाइट हार्वेस्टिंग एफिशिएंसी (LHE) प्रदर्शित की।
• फोटोवोल्टिक प्रदर्शन:
  • CZTSSe N ने सभी नमों में उच्चतम पावर कन्वर्जन एफिशिएंसी (0.166%) प्राप्त की, जो उच्चतम ओपन सर्किट वोल्टेज (Voc = 0.42 V) और फिल फैक्टर (FF = 50.5%) द्वारा संचालित थी।
  • CZTS L (स्थानीय, बिना Se) ने उच्चतम शॉर्ट सर्किट करंट डेंसिटी (Jsc = 0.972 mA/cm²) उत्पन्न की, जिसका श्रेय Cu2S और ZnS के कम माध्यमिक चरणों को दिया गया।
  • स्थानीय सामग्री-आधारित CZTSSe L की दक्षता (0.153%) को मानक CZTSSe N के करीब (92%) पाया गया।

महत्व और दावे
यह शोध दावा करता है कि स्थानीय मौलिक अग्रदूतों का उपयोग करके सफल Mo-मुक्त CZTSSe सौर सेल का संश्लेषण, इंडोनेशिया में कम लागत वाली, पर्यावरण के अनुकूल सौर ऊर्जा उत्पादन की दिशा में एक मार्ग को मान्य करता है। अध्ययन इस बात पर जोर देता है कि हालांकि वर्तमान दक्षता (0.166%) वाणिज्यिक मानकों की तुलना में कम है, लेकिन CZTSSe N नमूना सेलेनियम जुड़ाव और सटीक स्टोइकोमेट्रिक नियंत्रण के सहक्रियात्मक प्रभाव के कारण सबसे अनुकूल इलेक्ट्रॉनिक और संरचनात्मक गुण (सबसे छोटा बैंडगैप, सबसे कम माध्यमिक चरण, उच्चतम LHE) प्रदर्शित करता है।

लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि वर्तमान अध्ययन की प्राथमिक सीमाएं H2S सल्फरइजेशन की अनुपस्थिति के कारण उच्च अनाकार सामग्री और माध्यमिक चरणों (जैसे Cu2Sn(S/Se)3, Sn(S/Se)) का निर्माण है, जो इलेक्ट्रॉन ट्रांसफर में बाधा डालते हैं। यह कार्य एक आधारभूत कदम के रूप में कार्य करता है, जो यह सिद्ध करता है कि स्थानीय रूप से प्राप्त सामग्रियां कार्यात्मक केस्टेराइट संरचनाएं बना सकती हैं और संश्लेषण मापदंडों (जैसे सल्फरइजेशन और अग्रदूत मिश्रण) को अनुकूलित करके भविष्य के प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाया जा सकता है। यह अनुसंधान इंडोनेशिया में स्वतंत्र सौर सेल निर्माण क्षमताओं के विकास में योगदान देता है, जो प्रचुर मात्रा में उपलब्ध स्थानीय खनिज संसाधनों का उपयोग करता है।