Numerical Optimization of Electron Transport Layer-Free Perovskite Solar Cells Utilizing Titanium-based Perovskite Absorber with Feasibility for Low-Cost Carbon Back-Contact
यह अध्ययन यह प्रदर्शित करने के लिए SCAPS-1D संख्यात्मक सिमुलेशन का उपयोग करता है कि एक इलेक्ट्रॉन-परिवहन-परत-मुक्त Cs₂TiBr₆ पेरोव्स्काइट सौर सेल, जिसमें CuSbS₂/CuI द्विपरत होल-परिवहन परत और एक कम लागत वाला कार्बन बैक-कॉन्टैक्ट है, 26.49% की उच्च शक्ति रूपांतरण दक्षता प्राप्त कर सकता है, जो एक व्यवहार्य, स्केलेबल और लेड-मुक्त फोटोवोल्टिक आर्किटेक्चर प्रदान करता है।
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सूर्य ऊर्जा की एक विशाल, मुफ्त आपूर्ति प्रदान करता है, लेकिन इसे कुशलतापूर्वक पकड़ने के लिए ऐसे पदार्थों की आवश्यकता होती है जो बिना अत्यधिक खर्च किए या पर्यावरण को विषाक्त किए प्रकाश को बिजली में बदल सकें। वर्षों से, वैज्ञानिक पेरोव्स्काइट (perovskite) नामक एक क्रिस्टल संरचना से बने सौर सेल के एक विशिष्ट प्रकार के पीछे भाग रहे हैं, जिसने सूर्य के प्रकाश को शक्ति में बदलने के लिए अविश्वसनीय क्षमता दिखाई है। हालाँकि, इन सेल्स के सबसे कुशल संस्करणों के लिए लेड (सीसा) पर निर्भरता होती है, जो एक जहरीली धातु है और बड़े पैमाने पर उत्पादन को जोखिम भरा और सुरक्षित रूप से निपटान करना कठिन बनाती है। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ता लेड-मुक्त विकल्पों की तलाश कर रहे हैं, जैसे कि सीज़ियम, टाइटेनियम और ब्रोमीन से बना एक पदार्थ। जबकि यह नया पदार्थ सुरक्षित और स्थिर है, इसने ऐतिहासिक रूप से अपने लेड-आधारित समकक्षों के प्रदर्शन का मुकाबला करने में संघर्ष किया है, क्योंकि इसमें अक्सर ऊर्जा ऊष्मा के रूप में नष्ट हो जाती है या बिजली को इकट्ठा करने वाले तारों तक विद्युत आवेशों को तेजी से भेजने में विफल रहती है।
नाइजीरिया और कैमरून के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन लेड-मुक्त सौर सेल्स को बनाने का एक नया तरीका डिजाइन करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर मॉडलिंग का उपयोग किया है। जटिल, महंगे परतों के साथ इस डिज़ाइन को जबरदस्ती चलाने के बजाय, उन्होंने इसे इसके आवश्यक तत्वों तक सीमित कर दिया। उन्होंने इलेक्ट्रॉन ट्रांसपोर्ट लेयर नामक एक मानक घटक को हटा दिया, जो आमतौर पर लागत और जटिलता बढ़ाता है, और बिजली एकत्र करने के लिए उपयोग किए जाने वाले महंगे गोल्ड (सोने) के बैकप्लेट को एक सरल, सस्ते कार्बन इलेक्ट्रोड से बदल दिया। उनके बीच रखे गए क्रिस्टल परतों की मोटाई और सामग्रियों के रासायनिक गुणों को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसे उपकरण का अनुकरण (simulate) किया जो सर्वोत्तम सैद्धांतिक मॉडलों के अनुसार प्रदर्शन करता है। उनका कार्य यह सुझाव देता है कि एक अत्यधिक कुशल, गैर-विषाक्त सौर सेल बनाना संभव है जो निर्माण में सरल और व्यापक उपयोग के लिए पर्याप्त किफायती है।
शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट आर्किटेक्चर पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ सीज़ियम-टाइटेनियम-ब्रोमीन की एक परत एक फ्रंट ग्लास इलेक्ट्रोड और एक बैक कॉन्टैक्ट के बीच स्थित होती है। अपने प्रारंभिक परीक्षणों में, उन्होंने विद्युत आवेशों को क्रिस्टल से बाहर निकालने के विभिन्न तरीकों की तुलना की। उन्होंने पाया कि आवेशों को स्थानांतरित करने में मदद करने के लिए एक एकल परत का उपयोग करने से लगभग 11.8 प्रतिशत की मामूली दक्षता प्राप्त हुई। हालाँकि, जब उन्होंने पहले के साथ तालमेल बिठाने के लिए दूसरी परत पेश की, तो प्रदर्शन में उल्लेखनीय उछाल आया। यह दो-परत वाली प्रणाली एक अधिक प्रभावी फनल (कीप) की तरह काम करती थी, जो विद्युत आवेशों को डिवाइस के पिछले हिस्से की ओर सुचारू रूप से निर्देशित करती थी और उन्हें गलत दिशा से लीक होने से रोकती थी। इस सुधार ने प्रोटोटाइप की दक्षता को लगभग 12 प्रतिशत तक पहुँचा दिया, जो इस बात का स्पष्ट संकेत था कि सामग्रियों का संयोजन अकेले काम करने की तुलना में बेहतर परिणाम दे रहा है।
पहचाने गए सर्वश्रेष्ठ दो-परत वाले ढांचे के साथ, टीम ने डिवाइस के लिए एकदम सही रेसिपी खोजने के लिए हजारों सिमुलेशन चलाए। उन्होंने प्रत्येक परत की मोटाई, उनमें विद्युत आवेशों की सांद्रता और उन सूक्ष्म दोषों (defects) की संख्या को समायोजित किया जो ऊर्जा को फँसा सकते हैं। उन्होंने पाया कि मुख्य क्रिस्टल परत की गुणवत्ता सबसे महत्वपूर्ण कारक थी; दोषों में थोड़ी सी भी वृद्धि दक्षता को तेजी से गिरा देती है। उन्होंने यह भी पाया कि बैक कॉन्टैक्ट, जहाँ से बिजली सेल से बाहर निकलती है, प्रदर्शन में बिना किसी कमी के कार्बन से बनाया जा सकता है। सिमुलेशन में, गोल्ड बैक कॉन्टैक्ट वाले डिवाइस ने 26.49 प्रतिशत की दक्षता प्राप्त की, और कार्बन बैक कॉन्टैक्ट वाले डिवाइस ने भी ठीक उतना ही आंकड़ा प्राप्त किया। यह एक महत्वपूर्ण खोज है क्योंकि सोना दुर्लभ और महंगा है, जबकि कार्बन प्रचुर और सस्ता है, जो यह सुझाव देता है कि उच्च प्रदर्शन के लिए बैक इलेक्ट्रोड की उच्च लागत एक आवश्यक बाधा नहीं है।
सिमुलेशन ने यह भी खुलासा किया कि वास्तविक दुनिया की स्थितियों में डिवाइस कैसा व्यवहार करेगा। जब शोधकर्ताओं ने अलग-अलग तापमान पर मॉडल का परीक्षण किया, तो सौर सेल स्थिर रहा, गर्मी बढ़ने के साथ इसकी शक्ति में केवल बहुत मामूली कमी आई। इसी तरह, जब उन्होंने प्रकाश को और अधिक तीव्र बनाने के लिए सूर्य के प्रकाश को केंद्रित करने के प्रभाव का अनुकरण किया, तो डिवाइस ने कुशलतापूर्वक बिजली उत्पन्न करना जारी रखा, जिससे पता चला कि यह विफल हुए बिना तीव्र प्रकाश को संभाल सकता है। कंप्यूटर मॉडल ने संकेत दिया कि डिवाइस अपनी विशिष्ट विशेषताओं के लिए मौजूद सैद्धांतिक सीमा के बहुत करीब काम कर रहा है, जिसका अर्थ है कि केवल सिमुलेशन के माध्यम से डिजाइन को सुधारने की बहुत कम गुंजाइश बची है।
इन आशाजनक परिणामों के बावजूद, शोधकर्ता सावधानी बरतते हुए कहते हैं कि ये आंकड़े एक कंप्यूटर मॉडल से आए हैं, न कि किसी भौतिक प्रयोगशाला प्रयोग से। सिमुलेशन यह मान लेता है कि परतें पूरी तरह से चिकनी हैं और सामग्रियां उन खामियों से मुक्त हैं जो अक्सर वास्तविक दुनिया के निर्माण के दौरान आती हैं। लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि हालांकि डिजाइन सैद्धांतिक रूप से सुदृढ़ है, लेकिन वास्तविक डिवाइस बनाने के लिए यह साबित करना आवश्यक होगा कि कार्बन बैक कॉन्टैक्ट को समान रूप से कैसे लगाया जाए और क्रिस्टल परतों को उन निम्न दोष स्तरों के साथ कैसे विकसित किया जाए जिनकी आवश्यकता मॉडल को है। फिर भी, यह कार्य प्रयोगात्मक विशेषज्ञों के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है, जो यह बताता है कि किन सामग्रियों का उपयोग करना चाहिए, उनकी मोटाई कितनी होनी चाहिए, और यह कि एक कम लागत वाला कार्बन इलेक्ट्रोड सुरक्षित, कुशल और सस्ती सौर ऊर्जा बनाने के लिए एक व्यवहार्य मार्ग है।
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