Band Alignment Engineering of Non-Toxic Nb 2 O 5 /MnS Transport Layers for High- Performance Sb 2 (S,Se) 3 Thin-Film Solar Cells: A Combined DFT and SCAPS-1D Investigation
यह अध्ययन गैर-विषाक्त Nb₂O₅ और MnS ट्रांसपोर्ट परतों का उपयोग करके बैंड अलाइनमेंट को इंजीनियर करने के लिए एक संयुक्त DFT और SCAPS-1D दृष्टिकोण नियोजित करता है, जिससे रिकॉर्ड 25.30% पावर कन्वर्जन एफिशिएंसी प्राप्त होती है और Cd-मुक्त Sb₂(S,Se)₃ थिन-फिल्म सौर कोशिकाओं के लिए उत्कृष्ट थर्मल और इल्यूमिनेशन स्थिरता प्रदर्शित होती है।
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स्वच्छ ऊर्जा की खोज लंबे समय से ऐसे पदार्थों को खोजने पर केंद्रित रही है जो सूर्य के प्रकाश को कुशलतापूर्वक, सस्ते में और पर्यावरण को नुकसान पहुँचाए बिना बिजली में बदल सकें। हालांकि आज सिलिकॉन सौर पैनल बाजार में हावी हैं, लेकिन उन्हें ऊर्जा-गहन निर्माण प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है। इसने वैज्ञानिकों को 'थिन-फिल्म' विकल्पों की ओर देखने के लिए प्रेरित किया है, जिनमें बहुत कम सामग्री का उपयोग होता है। सबसे आशाजनक उम्मीदवारों में से एक एंटीमनी, सल्फर और सेलेनियम से बने यौगिक हैं। ये सामग्रियां पृथ्वी की पपड़ी में प्रचुर मात्रा में उपलब्ध हैं, गैर-विषैली हैं, और प्रकाश को अवशोषित करने में उत्कृष्ट हैं। हालांकि, उन्हें उच्च-प्रदर्शन वाले सौर सेल में बदलना कठिन रहा है। मुख्य बाधाएं इस बात में शामिल हैं कि उपकरण की विभिन्न परतें ऊर्जात्मक रूप से एक-दूसरे के साथ कितनी अच्छी तरह फिट बैठती हैं और सामग्री के भीतर कितने दोष या खामियां मौजूद हैं जो बिजली को एकत्र होने से पहले ही रोक लेती हैं।
हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर मॉडलिंग तकनीकों के एक शक्तिशाली संयोजन का उपयोग करके इन समस्याओं को हल करने का प्रयास किया। उन्होंने इस विशिष्ट जांच के लिए प्रयोगशाला में कोई भौतिक सौर सेल नहीं बनाया; इसके बजाय, उन्होंने एक अत्यधिक विस्तृत आभासी (वर्चुअल) उपकरण का निर्माण किया ताकि यह परीक्षण किया जा सके कि विभिन्न सामग्रियां और डिजाइन कैसे व्यवहार करेंगे। उनका लक्ष्य परतों का एक ऐसा आदर्श संयोजन खोजना था जो एक एंटीमनी-आधारित सौर सेल को उसकी पूर्ण क्षमता तक पहुँचने में सक्षम बना सके। बिजली के प्रवाह और परमाणुओं के व्यवहार का अनुकरण (सिमुलेशन) करके, उन्होंने सामग्रियों का एक विशिष्ट गैर-विषैली सेट पहचाना जो वर्तमान में इसी तरह के उपकरणों में उपयोग किए जाने वाले विषैले या महंगे घटकों की जगह ले सकता है। परिणाम एक सौर सेल का एक सैद्धांतिक ब्लूप्रिंट है जो 25.30 प्रतिशत की दक्षता प्राप्त कर सकता है, जो इस प्रकार की तकनीक के लिए एक महत्वपूर्ण छलांग है।
शोधकर्ताओं ने इसकी पुष्टि करने के लिए शुरुआत की कि मुख्य सामग्री, एंटीमनी, सल्फर और सेलेनियम का एक यौगिक, वास्तव में इस काम के लिए उपयुक्त है। उन्नत परमाणु-स्तरीय सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने पुष्टि की कि सामग्री स्थिर है, सामान्य परिस्थितियों में टूटती नहीं है, और इसमें सौर सेल के हृदय के रूप में कार्य करने के लिए सही इलेक्ट्रॉनिक गुण मौजूद हैं। उन्होंने पाया कि यह प्रकाश को बहुत मजबूती से अवशोषित करती है, जिसका अर्थ है कि सूर्य की अधिकांश ऊर्जा को पकड़ने के लिए एक पतली परत ही पर्याप्त है। इससे यह पुष्टि हुई कि सामग्री स्वयं समस्या नहीं थी; बल्कि, चुनौती यह थी कि इसे उपकरण के बाकी हिस्सों से कैसे जोड़ा जाए।
बिजली के प्रवाह में सुधार करने के लिए, टीम को इन सेल में उपयोग किए जाने वाले मानक परतों को बदलने की आवश्यकता थी। पारंपरिक डिजाइनों में अक्सर इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करने में मदद करने के लिए कैडमियम युक्त एक परत का उपयोग किया जाता है, जो एक विषैले भारी धातु है, और छिद्रों (होल्स), जो सकारात्मक आवेश होते हैं, को स्थानांतरित करने के लिए एक महंगी कार्बनिक सामग्री का उपयोग किया जाता है। शोधकर्ताओं ने व्यवस्थित रूप से गैर-विषैले, अकार्बनिक विकल्पों की एक विस्तृत श्रृंखला का परीक्षण किया। उन्होंने उन सीमाओं पर ऊर्जा स्तरों का अनुकरण किया जहाँ ये परतें केंद्रीय अवशोषक से मिलती हैं। यदि ये ऊर्जा स्तर सही ढंग से संरेखित नहीं होते हैं, तो बिजली फंस जाती है या लीक हो जाती है। इस डिजिटल 'ट्रायल एंड एरर' प्रक्रिया के माध्यम से, उन्होंने पाया कि इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करने के लिए नियोबियम पेंटाऑक्साइड नामक सामग्री सबसे अच्छा काम करती है, जबकि छिद्रों को स्थानांतरित करने के लिए मैंगनीज सल्फाइड नामक सामग्री आदर्श थी। इन दो सामग्रियों ने आवेशों के यात्रा करने के लिए एक सुगम मार्ग बनाया, जिससे उन ऊर्जा नुकसानों को कम किया गया जो आमतौर पर इन उपकरणों को प्रभावित करते हैं।
सर्वश्रेष्ठ सामग्रियां चुनने के बाद, टीम ने आभासी सौर सेल के भौतिक आयामों और आंतरिक गुणों को सूक्ष्म रूप से व्यवस्थित (फाइन-ट्यून) किया। उन्होंने प्रत्येक परत की मोटाई, उनमें विद्युत आवेशों की सांद्रता और दोषों के घनत्व को समायोजित किया, जो वे छोटी खामियां हैं जो प्रदर्शन को खराब कर सकती हैं। उन्होंने पाया कि मुख्य प्रकाश-अवशोषक परत की एक विशिष्ट मोटाई, कम दोषों की संख्या के साथ मिलकर, उपकरण को अपने शिखर प्रदर्शन पर ले जाने की अनुमति देती है। उन्होंने बिजली एकत्र करने वाले धातु संपर्कों के गुणों और विद्युत प्रतिरोध को भी अनुकूलित किया। प्रत्येक समायोजन यह सुनिश्चित करने के लिए किया गया था कि इलेक्ट्रॉन और छिद्र बिना खोए या समय से पहले पुनर्संयोजित हुए तारों तक पहुँच सकें।
अंतिम सिम्युलेटेड डिवाइस ने उल्लेखनीय क्षमता दिखाई। इसने 25.30 प्रतिशत की शक्ति रूपांतरण दक्षता प्राप्त की, जो इस प्रकार के सौर सेल के वर्तमान प्रयोगात्मक रिकॉर्ड से कहीं अधिक है। अध्ययन ने यह भी परीक्षण किया कि उपकरण विभिन्न स्थितियों में कैसा प्रदर्शन करेगा। आभासी सेल तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में, ठंडे से लेकर काफी गर्म तक, स्थिर रहा, जिसमें दक्षता का केवल एक बहुत छोटा हिस्सा ही कम हुआ। इसने सूर्य के प्रकाश की बदलती तीव्रता के तहत भी लगातार प्रदर्शन किया। ये परिणाम बताते हैं कि यदि वास्तविक दुनिया का उपकरण उसी उच्च गुणवत्ता और निम्न दोष स्तर के साथ बनाया जा सकता है जैसा कि सिमुलेशन ने माना है, तो यह स्वच्छ ऊर्जा का एक मजबूत और अत्यधिक कुशल स्रोत होगा।
हालांकि, लेखक सावधानीपूर्वक यह नोट करते हैं कि ये परिणाम कंप्यूटर मॉडल पर आधारित एक भविष्यवाणी हैं, न कि किसी भौतिक वस्तु का माप। उच्च दक्षता इस धारणा पर निर्भर करती है कि सामग्रियों को अत्यंत उच्च शुद्धता के साथ निर्मित किया जा सकता है और परतों के बीच के इंटरफेस को लगभग पूर्ण बनाया जा सकता है। हालांकि प्रयोगशाला तकनीकों में हालिया प्रगति ने दिखाया है कि ऐसी उच्च-गुणवत्ता वाली सामग्रियां संभव हैं, लेकिन नियोबियम पेंटाऑक्साइड और मैंगनीज सल्फाइड का विशिष्ट संयोजन अभी तक एक वास्तविक सौर सेल में बनाया और परीक्षण नहीं किया गया है। यह अध्ययन प्रयोगवादियों (एक्सपेरिमेंटलिस्ट्स) के लिए एक विस्तृत मार्गदर्शिका के रूप में कार्य करता है, जो उन्हें ठीक से बताता है कि सर्वोत्तम प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए किन सामग्रियों का उपयोग करना है और उन्हें कैसे कॉन्फ़िगर करना है। इस स्पष्ट रोडमैप को प्रदान करके, यह शोध सुरक्षित, प्रचुर और उच्च-दक्षता वाली अगली पीढ़ी की सौर ऊर्जा बनाने की दिशा में एक यथार्थवादी पथ प्रदान करता है।
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