Selenium-dependent Structural and Optoelectronic Properties of Mo-Free Cu 2 ZnSn(S,Se) 2 Solar Cells Prepared from Elemental Precursors

दुनिया ऊर्जा पर चलती है, लेकिन आज हम जिन स्रोतों पर निर्भर हैं वे सीमित और ग्रह के लिए हानिकारक हैं। कोयला और तेल जैसे जीवाश्म ईंधन अंततः समाप्त हो जाएंगे, और उन्हें जलाने से वायुमंडल गर्म होता है। इस वास्तविकता ने वैज्ञानिकों को स्वच्छ विकल्पों की तलाश करने के लिए प्रेरित किया है, जिसमें सूर्य का प्रकाश सबसे प्रचुर संभावना प्रदान करता है। चुनौती सूर्य के प्रकाश को पकड़ने में नहीं, बल्कि इसे कुशलतापूर्वक और किफायती रूप से बिजली में बदलने में है। दशकों से, सिलिकॉन सौर पैनलों के लिए मानक सामग्री रहा है, लेकिन इसे परिष्कृत करना महंगा है और इसके लिए जटिल निर्माण की आवश्यकता होती है। एक नई पीढ़ी के सौर सेल 'केस्टेराइट्स' नामक विशेष क्रिस्टल की पतली परतों का उपयोग करते हैं। ये सामग्रियां तांबा, जस्ता, टिन और सल्फर जैसे सामान्य और गैर-विषाक्त तत्वों से बनी होती हैं। यदि शोधकर्ता यह पता लगा लें कि उन्हें मौजूदा सर्वोत्तम तकनीकों की तरह कैसे काम करना है, तो उनमें पारंपरिक सिलिकॉन की तुलना में सस्ते और अधिक पर्यावरण के अनुकूल होने की क्षमता है।

इंडोनेशिया के शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में इन सौर सेल्स को बनाने के एक नए तरीके का पता लगाया, जिसमें एक विशिष्ट प्रकार के केस्टेrite क्रिस्टल पर ध्यान केंद्रित किया गया जिसमें सेलेनियम शामिल है, जो सल्फर से संबंधित एक रासायनिक तत्व है। उनका लक्ष्य केवल स्थानीय रूप से उपलब्ध, बुनियादी सामग्रियों और एक सरल तरल-आधारित प्रक्रिया का उपयोग करके एक पूर्ण सौर सेल बनाना था, जिससे उन महंगे वैक्यूम चैंबरों से बचा जा सके जिनकी आमतौर पर उच्च-तकनीकी निर्माण के लिए आवश्यकता होती है। उन्होंने पारदर्शी कांच की परतों, एक विशेष ऑक्साइड कोटिंग और उनके कस्टम-मेड क्रिस्टल की एक पतली फिल्म से युक्त एक उपकरण बनाया, जिसे अन्य प्रवाहकीय परतों के बीच सैंडविच किया गया था। अपने मिश्रण में सल्फर के कुछ हिस्से को सेलेनियम से बदलकर, उनका लक्ष्य सामग्री की प्रकाश को अवशोषित करने और बिजली संचालित करने की क्षमता को ट्यून करना था। टीम ने यह देखने के लिए कि क्या सस्ता मार्ग समान परिणाम दे सकता है, मानक प्रयोगशाला रसायनों से बने सेल्स की तुलना कच्चे, स्थानीय रूप से प्राप्त पाउडर से बने सेल्स से की।

शोधकर्ताओं ने पाया कि वे अपने तरल विधि का उपयोग करके वांछित क्रिस्टल संरचना को सफलतापूर्वक संश्लेषित कर सकते हैं, जिससे एक ऐसी सामग्री तैयार हुई जो जस्ता से समृद्ध और तांबे में थोड़ी कम है, जो प्रदर्शन में सुधार करने के लिए जाना जाने वाला एक विशिष्ट संतुलन है। जब उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे क्रिस्टल की जांच की और उनकी आंतरिक संरचना का विश्लेषण किया, तो उन्होंने पाया कि सेलेनियम जोड़ने से सामग्री का भौतिक आकार महत्वपूर्ण रूप से बदल गया। सेलेनियम परमाणुओं ने क्रिस्टल के छोटे दानों (grains) को नाटकीय रूप से सिकोड़ दिया। मानक रसायनों से बने नमूनों में, दाने लगभग 32.8 नैनोमीटर से घटकर केवल 10.7 नैनोमीटर रह गए। इसी तरह, स्थानीय रूप से प्राप्त नमूनों में दाने लगभग 195.9 नैनोमीटर से घटकर 98.1 नैनोमीटर हो गए। आकार में इस कमी ने एक अधिक छिद्रपूर्ण सतह बनाई, जिसके बारे में शोधकर्ताओं का मानना है कि यह सामग्री को अधिक प्रकाश को पकड़ने में मदद करती है और सतह से परावर्तित होने वाले प्रकाश की मात्रा को कम करती है।

ऑप्टिकल परीक्षणों से पता चला कि आकार और संरचना में इस परिवर्तन का सामग्री के प्रकाश के साथ होने वाली अंतःक्रिया पर सीधा प्रभाव पड़ा। सेलेनियम के जुड़ने से सामग्री का अवशोषण लंबे तरंग दैर्ध्य (wavelengths) की ओर स्थानांतरित हो गया, जिसे 'रेडशिफ्ट' कहा जाता है, जिसने प्रभावी रूप से उस ऊर्जा अंतराल (energy gap) को कम कर दिया जिसे बिजली उत्पन्न करने के लिए सामग्री को पार करने की आवश्यकता होती है। सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाले नमूने ने, जो मानक रसायनों से बना था और जिसमें सेलेनियम शामिल था, 1.16 इलेक्ट्रॉन वोल्ट का बैंडगैप प्राप्त किया, जो परीक्षण किए गए सभी नमूनों में सबसे कम था। इस निचले ऊर्जा अंतराल ने सेल को सूर्य के प्रकाश के व्यापक स्पेक्ट्रम को प्राप्त करने की अनुमति दी, जिससे 88.12 प्रतिशत की प्रकाश-कटाई दक्षता प्राप्त हुई। इसके विपरीत, बिना सेलेनियम वाले नमों में उच्च ऊर्जा अंतराल था और उन्होंने कम प्रकाश ग्रहण किया। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि सेलेनियम युक्त नमूनों में अवांछित अशुद्धियाँ, जिन्हें 'सेकेंडरी फेज' कहा जाता है, कम थीं, जो बिजली के प्रवाह को रोक सकती हैं। सबसे अच्छे नमूने में केवल 16.2 प्रतिशत सेकेंडरी फेज था, जो परीक्षण किए गए सभी समूहों में सबसे कम था।

जब टीम ने इन सेल्स द्वारा उत्पन्न वास्तविक बिजली का परीक्षण किया, तो परिणामों ने सेलेनियम के जुड़ाव के लाभों की पुष्टि की। मानक सेलेनियम मिश्रण से बने सौर सेल ने 0.166 प्रतिशत की उच्चतम समग्र दक्षता उत्पन्न की। हालांकि यह संख्या वाणिज्यिक सिलिकॉन पैनलों की दक्षता से अभी भी बहुत कम है, लेकिन यह इस विशिष्ट प्रकार के कम लागत वाले, गैर-वैक्यूम निर्माण के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है। सेल ने उच्चतम वोल्टेज और सर्वश्रेष्ठ 'फिल फैक्टर' भी प्राप्त किया, जो इस बात का माप है कि सेल कितनी प्रभावी ढंग से बिजली वितरित करता है। दिलचस्प बात यह है कि स्थानीय स्तर पर प्राप्त सामग्रियों से बना सेल मानक रसायनों से बने सेल के लगभग समान प्रदर्शन करता है, जो सबसे अच्छे नमूने की दक्षता का 92 प्रतिशत तक पहुँच गया। यह सुझाव देता है कि यदि संश्लेषण प्रक्रिया को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाए, तो अच्छे परिणाम प्राप्त करने के लिए महंगे, आयातित रसायनों की सख्त आवश्यकता नहीं है।

शोधकर्ताओं ने नोट किया कि प्रदर्शन फिल्मों में अमोर्फस (अक्रिस्टलीय), या गैर-क्रिस्टलीय सामग्री की उच्च मात्रा के कारण सीमित था, जो इसलिए हुआ क्योंकि उन्होंने हीटिंग प्रक्रिया के दौरान एक विशिष्ट गैस उपचार का उपयोग नहीं किया था। एक पूर्ण क्रिस्टल संरचना की कमी का मतलब था कि सेल अभी अपनी पूरी क्षमता तक नहीं पहुँच सकते थे। हालांकि, अध्ययन ने सफलतापूर्वक एक नया सौर सेल डिजाइन प्रदर्शित किया जिसमें मोलिब्डेनम बैक-लेयर का उपयोग नहीं किया गया है, जो एक ऐसी सामग्री है जिसे प्राप्त करना कठिन और महंगा है। इसके बजाय, उन्होंने एक पारदर्शी प्रवाहकीय परत का उपयोग किया जो बहुत सस्ती और आसानी से प्राप्त होने वाली है। यह कार्य सिद्ध करता है कि एक सरल समाधान-आधारित विधि और स्थानीय रूप से उपलब्ध कच्चे माल का उपयोग करके एक कार्यात्मक सौर सेल बनाना संभव है। यह दिखाकर कि सेलेनियम कैसे ग्रेन साइज को कम कर सकता है, ऊर्जा अंतराल को कम कर सकता है और अशुद्धियों को न्यूनतम कर सकता है, अध्ययन भविष्य में इन पृथ्वी-संपन्न सौर सेल्स की दक्षता में सुधार के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है।