Cost-Effective Growth of Nanosphere CuIn(S,Se)2 Thin Films by Chemical Bath Deposition and Their PEC Applications

कल्पना कीजिए कि दुनिया में जीवाश्म ईंधन खत्म हो रहे हैं, और वैज्ञानिक केवल सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके हमारे शहरों को ऊर्जा देने के एक नए तरीके की तलाश में एक वैश्विक खजाने की खोज पर निकले हैं। यह खोज सामग्री विज्ञान (materials science) की आकर्षक दुनिया में होती है, जहाँ शोधकर्ता शेफ की तरह काम करते हैं, जो प्रकाश को बिजली में बदलने के लिए "सौर भोजन" बनाने हेतु विभिन्न सामग्रियों को मिलाते हैं। इस खोज में इस्तेमाल होने वाली सबसे आशाजनक सामग्रियों में से एक एक विशेष अर्धचालक (semiconductor) है जिसे CuIn(S,Se)₂ कहा जाता है। इस सामग्री को एक विशेष 'सौर स्पंज' के रूप में समझें; यह सूर्य के प्रकाश को सोखने और उससे विद्युत ऊर्जा निकालने में अविश्वसनीय रूप से कुशल है। हालाँकि, इन स्पंजों को बनाने के लिए आमतौर पर महंगे, उच्च-तकनीकी ओवन और वैक्यूम चैंबरों की आवश्यकता होती है, जिससे अंतिम उत्पाद महंगा हो जाता है। सबसे बड़ा सवाल जो वैज्ञानिक पूछ रहे हैं वह यह है: क्या हम इन सुपर-एफिशिएंट सौर स्पंजों को अपनी जादुगरवी खोए बिना, साधारण, सस्ते और कम तापमान वाली विधियों, जैसे कि एक 'किचन बाथ' का उपयोग करके बना सकते हैं?

यही कहानी महाराष्ट्र, भारत के कॉलेजों के शोधकर्ताओं की एक टीम द्वारा किए गए एक नए अध्ययन में बताई गई है। उन्होंने केमिकल बाथ डिपोजिशन (CBD) नामक तकनीक का उपयोग करके इस सौर सामग्री की पतली परतें (thin films) उगाने का निर्णय लिया। कल्पना कीजिए कि एक साफ कांच की स्लाइड को रसायनों के गर्म, उबलते हुए सूप के बर्तन में डुबोया जा रहा है। किसी हाई-टेक फैक्ट्री की आवश्यकता के बजाय, वे बस रसायनों को 60 °C (लगभग 140 °F) के हल्के तापमान पर धीरे-धीरे प्रतिक्रिया करने देते हैं, जिससे कांच पर खिड़की पर जमी पाले की तरह नन्हे क्रिस्टल उग आते हैं। लेकिन यहाँ एक मोड़ है: उन्होंने केवल एक बैच नहीं बनाया; उन्होंने तांबे (copper) और इंडियम (indium) के अनुपात को बदलकर, यानी रेसिपी में बदलाव करके, छह अलग-अलग संस्करण बनाए। वे देखना चाहते थे कि क्या "सामग्रियों" में बदलाव करने से क्रिस्टल के आकार, उनके प्रकाश अवशोषण की क्षमता और उनके द्वारा उत्पादित बिजली की मात्रा में बदलाव आता है। उनका लक्ष्य एक ऐसी सटीक रेसिपी खोजना था जो एक ऐसी फिल्म तैयार करे जो नैनो-गोलों (nanospheres) से बनी हो और सौर सेल के रूप में सबसे अच्छा काम करे।

शोधकर्ताओं ने पाया कि रासायनिक स्नान (chemical bath) को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, वे नैनोस्फीयर से बनी फिल्मों को सफलतापूर्वक उगा सकते हैं—कल्पना कीजिए कि एक सतह अरबों सूक्ष्म, पूरी तरह से गोल मोतियों से ढकी हुई है। ये मोती अविश्वसनीय रूप से छोटे थे, जिनका आकार लगभग 23 से 43 नैनोमीटर के बीच था (जो रेत के एक कण से हजारों गुना छोटा है)। टीम ने पाया कि "रेसिपी" बहुत मायने रखती है। जैसे-जैसे उन्होंने इंडियम के सापेक्ष तांबे की मात्रा बदली, इन मार्बल जैसे दानों का आकार बदल गया, और सामग्री के गुण भी बदल गए। उदाहरण के लिए, जब उन्होंने तांबे-से-इंडियम के अनुपात को कम किया, तो दाने छोटे हो गए, और सामग्री ने प्रकाश को अलग तरह से अवशोषित करना शुरू कर दिया, जिससे उसकी "ऊर्जा भूख" (energy appetite) उच्च स्तर की ओर स्थानांतरित हो गई।

जब उन्होंने परीक्षण किया कि ये फिल्में सौर सेल के रूप में कितनी अच्छी तरह काम करती हैं, तो परिणाम काफी स्पष्ट थे। सबसे कम तांबे-से-इंडियम अनुपात वाली फिल्म (नमूना G6) इस समूह की सुपरस्टार निकली। इसने 60 mA cm⁻² का एक विशाल शॉर्ट-सर्किट करंट डेंसिटी उत्पन्न की, जो इस बात का माप है कि सौर सेल कितनी बिजली प्रवाहित कर सकता है। इस विशिष्ट नमूने ने उच्चतम पावर आउटपुट भी दिया, जो उनके द्वारा परीक्षण किए गए अन्य सभी संस्करणों से बेहतर था। अध्ययन से पता चलता है कि इस विशिष्ट संरचना ने बिजली के प्रवाह के लिए एक बेहतर मार्ग बनाया, जिससे प्रतिरोध (resistance) कम हुआ और सौर सेल को अधिक कुशलता से काम करने में मदद मिली। हालांकि टीम ने इस एकल प्रयोग के साथ दुनिया के ऊर्जा संकट को हल करने का दावा नहीं किया, लेकिन उन्होंने यह साबित कर दिया कि एक सरल, कम लागत वाला केमिकल बाथ उच्च गुणवत्ता वाली, नैनोस्फीयर-संरचित सौर सामग्री बना सकता है। उनका कार्य बताता है कि केवल रासायनिक रेसिपी को समायोजित करके, हम इन सामग्रियों को सौर ऊर्जा प्राप्त करने में बेहतर बनाने के लिए ट्यून कर सकते हैं, जो सौर ऊर्जा को सभी के लिए अधिक सुलभ बनाने की दिशा में एक आशाजनक, लागत प्रभावी मार्ग प्रदान करता है।