Efficient and stable industrial-size perovskite/silicon tandems with long-span bisphosphonic self-assembled molecules
यह अध्ययन एक लंबे-स्पैन वाले बिस्फोफोनीक स्व-संयोजित अणु (S2) को प्रस्तुत करता है जो औद्योगिक-स्तर के टेक्सचर्ड सिलिकॉन पर समान, स्थिर इंटरफेशियल कवरेज सक्षम बनाता है, जिसके परिणामस्वरूप प्रमाणित 32.6% कुशल और अत्यधिक टिकाऊ पेरोव्स्काइट/सिलिकॉन टैंडम सौर सेल और मॉड्यूल प्राप्त होते हैं।
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सौर ऊर्जा लंबे समय से एक मौलिक सीमा द्वारा सीमित रही है: सामग्री की एक एकल परत केवल सूर्य के प्रकाश के एक विशिष्ट हिस्से को ही पकड़ सकती है, जिससे बाकी हिस्सा या तो गुजर जाता है या बेकार गर्मी में बदल जाता है। इस बाधा को तोड़ने के लिए, वैज्ञानिकों ने दो अलग-अलग प्रकाश-पकड़ने वाली परतों को एक के ऊपर एक रखने की ओर रुख किया है, जिससे एक 'टैंडम सेल' (tandible cell) बनता है। ऊपरी परत को उच्च-ऊर्जा वाले प्रकाश को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जबकि निचली परत, जो आमतौर पर सिलिकॉन से बनी होती है, उस कम-ऊर्जा वाले प्रकाश को पकड़ती है जो ऊपर से छनकर नीचे आता है। जब ये दोनों मिलकर काम करते हैं, तो वे सैद्धांतिक रूप से एक मानक सौर पैनल की तुलना में बहुत अधिक बिजली उत्पन्न कर सकते हैं। हालांकि, इन स्टैक्ड सेल्स को बड़े, औद्योगिक स्तर पर कुशलतापूर्वक चलाना कठिन साबित हुआ है। निचली सिलिकॉन परत सपाट नहीं है; यह प्रकाश को पकड़ने में मदद करने के लिए सूक्ष्म, ऊबड़-खाबड़ पिरामिडों से ढकी होती है। हालांकि यह बनावट सूर्य के प्रकाश को पकड़ने के लिए अच्छी है, लेकिन यह एक ऐसा खुरदरा परिदृश्य बनाती है जिस पर शीर्ष सेल को कार्य करने के लिए आवश्यक नाजुक रासायनिक परतों को समान रूप से लेपित करना अविश्वसनीय रूप से कठिन होता है। यदि कोटिंग असमान है, तो उपकरण विफल हो जाता है, और उच्च दक्षता का वादा प्रयोगशाला तक ही सीमित रह जाता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नए प्रकार की आणविक परत (molecular layer) को डिजाइन करके इस कोटिंग समस्या को हल कर लिया है, जो खुरदरी सिलिकॉन सतह पर पूरी तरह से फैल सकती है, जिससे बड़े सौर पैनलों के लिए रिकॉर्ड-तोड़ दक्षता प्राप्त हुई है। उनकी सफलता का मुख्य आधार एक कस्टम-निर्मित अणु है जो सिलिकॉन और शीर्ष प्रकाश-पकड़ने वाली परत के बीच एक स्व-संयोजन सेतु (self-assembling bridge) के रूप में कार्य करता है। इन सेतुओं को बनाने के पिछले प्रयासों में छोटे अणुओं का उपयोग किया गया था जो केवल एक बिंदु पर सिलिकॉन से जुड़ सकते थे। औद्योगिक सिलिकॉन की ऊबड़-खाबड़ चोटियों और कटक पर, ये छोटे अणु अगले स्थान तक नहीं पहुँच पाते थे, जिससे अंतराल रह जाते थे और फिल्म टूट जाती थी। अन्य शोधकर्ताओं ने अधिक क्षेत्र को कवर करने के लिए लंबी, श्रृंखला जैसी संरचना वाले अणुओं का उपयोग करने की कोशिश की, लेकिन वे एक चिकनी चादर बनाने के बजाय अव्यवस्थित ढेरों में जमा होने लगे। पेकिंग यूनिवर्सिटी, ट्रिना सोलर और अन्य संस्थानों के वैज्ञानिकों द्वारा विकसित यह नया डिज़ाइन दोनों का सर्वश्रेष्ठ संयोजन है। उन्होंने एक ऐसा अणु बनाया जिसकी एक लंबी, लचीली रीढ़ (backbone) है जो सिलिकॉन पिरामिडों की नुकीली युक्तियों के पार फैल सकती है, जबकि इसके सिरों को एक के बजाय दो मजबूत एंकरों (anchors) से सुसज्जित किया गया है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि यह विशिष्ट डिज़ाइन अणुओं को समान रूप से फैलने की अनुमति देता है, जिससे वे बिना गुच्छे बनाए या अंतराल छोड़े, हर इंच बनावट वाली सतह को कवर कर लेते हैं। चूंकि अणु इतने लंबे और लचीले होते हैं, इसलिए वे सिलिकॉन के आकार के अनुरूप मुड़ और ढल सकते हैं, और एक पिरामिड के एक तरफ से दूसरी तरफ तक पहुँच सकते हैं। सिरों पर मौजूद दो एंकर सतह को मजबूती से पकड़ते हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि परत गर्मी और तनाव के तहत भी अपनी जगह पर टिकी रहे। यह समान कवरेज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह बिजली को शीर्ष परत से निचली परत तक बिना अटके या लीक हुए सुचारू रूप से प्रवाहित होने देता है। जब टीम ने प्रयोगशाला सेटिंग में सिलिकॉन के एक छोटे टुकड़े पर इस नए अणु का परीक्षण किया, तो परिणामी सौर सेल ने टकराने वाले सूर्य के प्रकाश का 34.3% बिजली में परिवर्तित किया। यह इस प्रकार के छोटे सेल के पिछले रिकॉर्ड से एक महत्वपूर्ण उछाल है।
इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि टीम ने यह सिद्ध कर दिया कि यह दृष्टिकोण वास्तविक दुनिया में बिजली उत्पादन के लिए आवश्यक विशाल पैमाने पर भी काम करता है। उन्होंने एक बड़े सिलिकॉन वेफर पर, जो लगभग एक मानक औद्योगिक सौर पैनल के आकार का है, उसी अणु को एक मशीन का उपयोग करके लागू किया जो सतह को प्रिंटर की तरह कोट करती है। उस बड़े पैनल ने 32.6% की प्रमाणित दक्षता प्राप्त की, जो उस आकार के सौर सेल के लिए अब तक का उच्चतम दर्ज किया गया स्तर है। इस तकनीक को वास्तविक दुनिया के लिए तैयार करने हेतु, शोधकर्ताओं ने पैनलों को कठोर परिस्थितियों में रखा जो वर्षों के बाहरी उपयोग की नकल करती हैं। उन्होंने पैनलों को उच्च गर्मी और आर्द्रता में पकाया और उन्हें अत्यधिक तापमान परिवर्तन के चक्रों से गुजारा। इन परीक्षणों के बाद, पैनलों ने अपने मूल बिजली आउटपुट का 90% से अधिक हिस्सा बरकरार रखा। जब उन्होंने इन बड़े सेल्स से बने एक मॉड्यूल को बाहर स्थापित किया, तो इसने एक महीने की अवधि के दौरान निरंतर ऊर्जा का उत्पादन जारी रखा।
यह अध्ययन दर्शाता है कि अगली पीढ़ी की सौर ऊर्जा की पूर्ण क्षमता को अनलॉक करने की कुंजी न केवल प्रकाश को पकड़ने वाली सामग्रियों में है, बल्कि इस बात में भी है कि वे सामग्रियां नीचे स्थित सिलिकॉन से कैसे जुड़ी हुई हैं। एक ऐसा अणु इंजीनियर करके जो औद्योगिक सिलिकॉन के ऊबड़-खाबड़ इलाके को पार करने के लिए पर्याप्त लंबा है और पकड़ बनाने के लिए पर्याप्त मजबूत है, शोधकर्ताओं ने उस बड़ी बाधा को दूर कर दिया है जिसने उच्च-दक्षता वाले सौर सेल्स को छोटे प्रयोगशाला नमूनों तक सीमित कर रखा था। यह कार्य सुझाव देता है कि सस्ती, अधिक शक्तिशाली सौर ऊर्जा का मार्ग स्पष्ट है, बशर्ते परतों के बीच के नाजुक इंटरफेस को प्रकाश-पकड़ने वाली सामग्रियों की तरह ही सटीकता के साथ प्रबंधित किया जा सके। परिणाम संकेत देते हैं कि ये टैंडम सेल्स अब केवल एक सैद्धांतिक संभावना नहीं हैं, बल्कि बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए एक व्यवहार्य तकनीक हैं।
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