Spin-Coating-Speed-Dependent Structural and Optical Properties of Open-Air-Processed MAPbI 3 Thin Films: Experimentally Informed SCAPS-1D Device Simulation

सौर ऊर्जा लंबे समय से भारी सिलिकॉन पैनलों का क्षेत्र रही है, लेकिन प्रयोगशाला से एक नया, हल्का दावेदार उभरा है: पेरोव्स्काइट सौर सेल। ये उपकरण क्रिस्टल के एक विशेष वर्ग का उपयोग करते हैं जिन्हें स्याही की तरह सतहों पर पेंट किया जा सकता है, जो सस्ती, लचीली बिजली का एक संभावित मार्ग प्रदान करते हैं। इस सामग्री का सबसे आशाजनक संस्करण मिथाइलअमोनियम लीड आयोडाइड नामक एक यौगिक है। इसे काम करने योग्य बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को कांच की स्लाइड पर इन क्रिस्टल की एक पतली, दोषरहित परत विकसित करनी होती है। इस परत की गुणवत्ता यह निर्धारित करती है कि सौर सेल कितनी अच्छी तरह सूर्य के प्रकाश को पकड़ता है और उसे बिजली में बदलता है। हालाँकि, इन क्रिस्टल को विकसित करना एक नाजुक संतुलन का काम है। यदि प्रक्रिया बहुत धीमी है, तो सामग्री असमान रूप से सूख जाती है; यदि यह बहुत तेज़ है, तो क्रिस्टल ठीक से बनने का समय नहीं पाते हैं। चुनौती उस सटीक गति को खोजने में है जो क्रिस्टल को बड़ा और व्यवस्थित रूप से बढ़ने देती है, जिससे बिना किसी दरार या अंतराल के एक चिकनी फिल्म तैयार होती है।

ओबाफेमी अवोलोमो विश्वविद्यालय और फेडरल यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी ओवेरी, नाइजीरिया के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इसी विशिष्ट पहेली को हल करने के लिए हाथ बढ़ाया। उन्होंने एक ही चर (variable) पर ध्यान केंद्रित किया: जब तरल घोल लगाया जाता है तो कांच की स्लाइड को कितनी तेजी से घूमना चाहिए। यह घूमने की प्रक्रिया, जिसे स्पिन कोटिंग कहा जाता है, तरल को एक पतली फिल्म में फैला देती है। टीम ने 2,000 से 5,000 रोटेशन प्रति मिनट तक की चार अलग-अलग गतियों का परीक्षण किया, जबकि अन्य सभी स्थितियों को बिल्कुल समान रखा। उन्होंने एक नियंत्रित कमरे में काम किया जहाँ तापमान और आर्द्रता के विशिष्ट स्तर थे ताकि हवा स्वयं परिणामों में हस्तक्षेप न कर सके। एक ऐसे विलायक (solvent) का उपयोग करके जो तेजी से वाष्पित होता है और एक विशिष्ट हीटिंग प्रक्रिया के माध्यम से, उन्होंने तरल को कांच पर ठोस क्रिस्टल में बदलने के लिए निर्देशित किया।

परिणामों से पता चला कि गति और गुणवत्ता के बीच का संबंध एक सीधी रेखा नहीं है। शोधकर्ताओं ने पाया कि कांच को बहुत धीरे या बहुत तेज़ घुमाने से दोनों ही मामलों में अव्यवस्थित, अपूर्ण क्रिस्टल बने। सबसे धीमी गति ने तरल को बहुत गाढ़ा छोड़ दिया, जिससे वह असमान रूप से सूख गया। सबसे तेज़ गति ने तरल को इतनी जल्दी हटा दिया कि क्रिस्टल पर्याप्त बड़े आकार तक नहीं बढ़ सके। 'स्वीट स्पॉट' (सबसे उपयुक्त बिंदु) 3,000 रोटेशन प्रति मिनट पर पाया गया। इस विशिष्ट गति पर, क्रिस्टल अपने सबसे बड़े आकार तक बढ़े, जो लगभग 22.73 नैनोमीटर व्यास के थे, और सामग्री के भीतर आंतरिक तनाव सबसे कम था। इसने परीक्षण किए गए सभी नमूनों में से सबसे व्यवस्थित और उच्च गुणवत्ता वाली फिल्म बनाई। टीम ने एक्स-रे के साथ इस फिल्म का परीक्षण करके इसकी पुष्टि की, जिसने बिना किसी बचे हुए कच्चे माल के एक पूर्ण क्रिस्टल संरचना दिखाई।

एक बार जब उन्होंने सबसे अच्छी फिल्म की पहचान कर ली, तो शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि यह भौतिक गुणवत्ता बिजली उत्पादन में कैसे परिवर्तित होगी। उन्होंने एक वर्चुअल सौर सेल बनाने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, जिसमें उनके द्वारा बनाई गई फिल्मों के सटीक गुणों का उपयोग किया गया था। सिमुलेशन ने दिखाया कि 3,000 आरपीएम (rpm) पर घूमी हुई फिल्म, जिसका प्रकाश अवशोषण के लिए ऊर्जा अंतराल थोड़ा कम था, अन्य की तुलना में थोड़ा बेहतर प्रदर्शन करती है। इस वर्चुअल परीक्षण में, सर्वोत्तम प्रोटोटाइप ने 16.67 प्रतिशत की दक्षता हासिल की। हालाँकि, शोधकर्ता वहीं नहीं रुके। उन्होंने सिमुलेशन का उपयोग यह पूछने के लिए किया कि क्या होगा यदि वे उपकरण की अन्य समस्याओं को ठीक कर सकें, जैसे कि परतों को मोटा करना या बिजली को रोकने वाले सूक्ष्म दोषों को कम करना। जब उन्होंने कंप्यूटर मॉडल में इन कारकों को अनुकूलित किया, तो अनुमानित दक्षता बढ़कर 25.38 प्रतिशत हो गई।

यह अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि हालांकि क्रिस्टल बनाने के लिए स्पिनिंग प्रक्रिया की गति महत्वपूर्ण है, लेकिन यह केवल पहला कदम है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि सबसे अच्छा भौतिक फिल्म स्वतः ही सबसे अच्छा सौर सेल सुनिश्चित नहीं करता है, बल्कि यह एक आवश्यक आधार प्रदान करता है। कंप्यूटर मॉडलों ने दिखाया कि उच्चतम संभव बिजली स्तर तक पहुँचने के लिए, आपको परतों की मोटाई का भी सावधानीपूर्वक प्रबंधन करना होगा और सामग्री के भीतर सूक्ष्म खामियों को कम करना होगा। यह कार्य पुष्टि करता है कि सामान्य हवा में सौर सेल बनाना संभव है यदि प्रक्रिया को कड़ाई से नियंत्रित किया जाए, और यह एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है कि कैसे एक बुनियादी लैब नमूने से एक अत्यधिक कुशल उपकरण तक पहुँचा जाए। निष्कर्ष बताते हैं कि इन सौर सेल्स का भविष्य न केवल नई सामग्रियों को खोजने में है, बल्कि उन्हें बनाने के सटीक, रोजमर्रा के विवरणों में महारत हासिल करने में भी है।