Comparative and comprehensive study on structural and optical properties of Methylammonium Lead Iodide and Methylammonium Bismuth Iodide

स्वच्छ ऊर्जा की खोज लंबे समय से उन सामग्रियों पर केंद्रित रही है जो सूर्य के प्रकाश को पकड़ सकती हैं और उसे उल्लेखनीय दक्षता के साथ बिजली में बदल सकती हैं। सबसे आशाजनक उम्मीदवारों में से एक पेरोव्स्काइट्स (perovskites) के रूप में जाने जाने वाले क्रिस्टल का एक परिवार है, जिन्होंने हाल ही में सौर ऊर्जा के क्षेत्र में क्रांति ला दी है। ये सामग्रियां परमाणुओं की एक विशिष्ट व्यवस्था से बनी होती हैं जो उन्हें तीव्रता से प्रकाश को अवशोषित करने और विद्युत आवेशों को तेजी से चलाने की अनुमति देती है। वर्षों से, इन क्रिस्टलों का सबसे प्रभावी संस्करण लेड (सीसा) पर निर्भर रहा है, एक ऐसा तत्व जो उन्हें असाधारण रूप से अच्छा प्रदर्शन करने में सक्षम बनाता है लेकिन साथ ही एक गंभीर समस्या भी पैदा करता है: लेड विषाक्त होता है। यह मानव स्वास्थ्य और पर्यावरण के लिए महत्वपूर्ण जोखिम पैदा करता है, तंत्रिका तंत्र और अंगों को प्रभावित करता है, और मिट्टी एवं पानी में जमा हो सकता है। यह वैज्ञानिकों के सामने एक कठिन दुविधा खड़ी करता है: इन सौर सामग्रियों के उच्च प्रदर्शन को कैसे बनाए रखा जाए जबकि उस खतरनाक तत्व को हटाया जाए जो उन्हें घातक बनाता है।

अगस्त 2026 में प्रकाशित एक अध्ययन में, भारत के जामिया मिलिया इस्लामिया के शोधकर्ताओं हसन अब्बास और ज़ीशान एच. खान ने मानक लेड-आधारित क्रिस्टल की तुलना एक नए, लेड-मुक्त विकल्प से करके इस चुनौती का समाधान किया। उन्होंने प्रयोगशाला में दो विशिष्ट सामग्रियां बनाने का लक्ष्य रखा: प्रसिद्ध मिथाइलअमोनियम लेड आयोडाइड, जिसमें लेड शामिल है, और एक नया यौगिक जिसे मिथाइलअमोनियम बिस्मथ आयोडाइड कहा जाता है, जो लेड को बिस्मथ (bismuth) से बदल देता है, जो कि एक बहुत अधिक सुरक्षित तत्व है। टीम ने केवल रसायन नहीं मिलाए; उन्होंने कांच की प्लेटों पर इन सामग्रियों की पतली फिल्में सावधानीपूर्वक उगाईं और फिर यह देखने के लिए कि वे कैसे निर्मित हैं और प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती हैं, उन्हें परीक्षणों की एक श्रृंखला के अधीन किया। उनका लक्ष्य यह समझना था कि क्या सुरक्षित बिस्मथ संस्करण, लेड संस्करण की संरचनात्मक गुणवत्ता और प्रकाश अवशोषण क्षमताओं से मेल खा सकता है, या क्या यह उन तरीकों में पीछे रह जाएगा जो इसे वास्तविक दुनिया के सौर पैनलों में उपयोग करने से रोकते हैं।

शोधकर्ताओं ने तरल समाधान विधि का उपयोग करके दोनों सामग्रियों का संश्लेषण करके शुरुआत की, यह एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें कच्चे माल को एक विलायक (solvent) में घोलना और फिर ठोस फिल्म बनाने के लिए उन्हें सुखाना शामिल है। एक बार जब फिल्में बन गईं, तो उन्होंने सूक्ष्म स्तर पर यह देखने के लिए कि वे कैसी दिखती हैं, शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे उनकी जांच की। छवियों ने खुलासा किया कि लेड-मुक्त बिस्मथ फिल्म असाधारण रूप से चिकनी और घनी थी, जिसमें वे छोटे छेद या अंतराल नहीं थे जो कभी-कभी लेड-आधारित संस्करण में दिखाई देते हैं। बिस्मथ क्रिस्टल अपने लेड समकक्षों की तुलना में थोड़े बड़े ढांचे भी बनाते हैं। जब टीम ने एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) का उपयोग करके परमाणुओं की आंतरिक व्यवस्था को देखा, जो एक ऐसी तकनीक है जो क्रिस्टल संरचना को प्रकट करती है, तो उन्होंने पाया कि बिस्मथ सामग्री वास्तव में लेड सामग्री की तुलना में अधिक व्यवस्थित और समान थी। व्यवस्था के इस उच्च स्तर ने सुझाव दिया कि लेड-मुक्त फिल्म बहुत उच्च गुणवत्ता की थी, जो संभावित रूप से पारंपरिक लेड संस्करण की तुलना में भौतिक संरचना के मामले में बेहतर भी थी।

इसके बाद, टीम ने अपना ध्यान इन सामग्रियों के प्रकाश संभालने के तरीके पर केंद्रित किया, जो एक सौर सेल के लिए सबसे महत्वपूर्ण कारक है। उन्होंने पराबैंगनी से लेकर इन्फ्रारेड तक रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला में प्रकाश डाला, यह देखने के लिए कि कितना अवशोषित होता है और कितना गुजर जाता है। परिणामों ने दिखाया कि दोनों सामग्रियां प्रकाश को पकड़ने में उत्कृष्ट थीं, लेकिन वे थोड़े अलग तरीकों से ऐसा करती हैं। लेड-आधारित सामग्री ने 760 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य (wavelength) पर सबसे मजबूती से प्रकाश को अवशोषित किया, जबकि बिस्मथ सामग्री 530 नैनोमीटर पर शिखर पर पहुँची। लेड संस्करण दृश्य स्पेक्ट्रम की एक व्यापक श्रेणी को अवशोषित करने में सक्षम था, जो बिजली उत्पन्न करने के लिए एक प्रमुख लाभ है। शोधकर्ताओं ने यह भी गणना की कि प्रकाश इन सामग्रियों के माध्यम से कैसे यात्रा करता है और पाया कि लेड-मुक्त फिल्म अधिक समान थी, जिसमें कम खामियां थीं जो प्रकाश को बिखेर सकती हैं। इस एकरूपता ने, सूक्ष्मदर्शी छवियों में देखी गई चिकनी सतह के साथ मिलकर, संकेत दिया कि बिस्मथ सामग्री की आंतरिक संरचना बहुत सुसंगत थी।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष ऊर्जा अंतराल (energy gap) से संबंधित था, या वह विशिष्ट ऊर्जा मात्रा जो एक इलेक्ट्रॉन को मुक्त करने के लिए आवश्यक है ताकि वह करंट ले जा सके। लेड-आधारित सामग्री का ऊर्जा अंतराल 1.65 इलेक्ट्रॉन वोल्ट था, जो एक एकल-परत सौर सेल के सैद्धांतिक आदर्श के बहुत करीब है। यह निकटतम मिलान स्पष्ट करता है कि लेड-आधारित पेरोव्स्काइट्स सूर्य के प्रकाश को शक्ति में बदलने में इतने सफल क्यों रहे हैं। इसके विपरीत, लेड-मुक्त बिस्मथ सामग्री का ऊर्जा अंतराल अधिक चौड़ा यानी 2.23 इलेक्ट्रॉन वोल्ट था। हालांकि यह मान अभी भी उपयोगी है, इसका अर्थ है कि यह सौर स्पेक्ट्रम के एक अलग हिस्से को अवशोषित करता है और लेड संस्करण की तुलना में सूर्य के प्रकाश की पूरी सीमा को पकड़ने में कम कुशल है। अध्ययन ने यह भी देखा कि सामग्रियां प्रकाश अवशोषित करने के बाद प्रकाश उत्सर्जित कैसे करती हैं, जिसे फोटोल्यूमिनेसेंस (photoluminescence) कहा जाता है। लेड सामग्री 760 नैनोमीटर पर चमक रही थी, जबकि बिस्मथ सामग्री 590 नैनोमीटर पर चमक रही थी, जो उनके ऊर्जा अंतराल के अंतर की पुष्टि करती है।

अंततः, अध्ययन दो सामग्रियों के विशिष्ट गुणों की एक तस्वीर पेश करता है। लेड-मुक्त बिस्मथ पेरोव्स्काइट कई मायनों में संरचनात्मक रूप से श्रेष्ठ साबित हुआ, जो लेड संस्करण की तुलना में अधिक चिकनी, अधिक समान फिल्म और कम दोषों के साथ बना। यह उस विषाक्तता से भी मुक्त है जो लेड को इतना खतरनाक बनाती है। हालांकि, लेड-आधारित सामग्री एक महत्वपूर्ण लाभ बनाए रखती है: इसका ऊर्जा अंतराल सौर शक्ति के लिए आदर्श के करीब है, जिससे यह सूर्य के प्रकाश से अधिक ऊर्जा प्राप्त करने में सक्षम है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि लेड-मुक्त विकल्प बहुत आशाजनक है और बेहतर रूपात्मक गुण (morphological properties) प्रदान करता है, फिर भी इसे अपने लेड-आधारित प्रतिद्वंद्वी की दक्षता से मेल खाने के लिए और अधिक अनुकूलन की आवश्यकता है। यह कार्य सुझाव देता है कि आगे का रास्ता इन सुरक्षित सामग्रियों को परिष्कृत करने में निहित है, शायद उनकी संरचना को बदलकर, ताकि उनका प्रदर्शन विषैले लेकिन अत्यधिक कुशल लेड क्रिस्टल द्वारा निर्धारित उच्च मानकों के करीब लाया जा सके।