Controlled Crystallization of Lead-Free Cs3Bi2I9 Perovskite Nanocrystals via Continuous- Flow Ligand-Assisted Re-precipitation
यह अध्ययन एक निरंतर-प्रवाह लिगैंड-सहायता प्राप्त पुन: अवक्षेपण विधि के माध्यम से लेड-फ्री Cs3Bi2I9 पेरोव्स्काइट नैनोक्रिस्टल के नियंत्रित संश्लेषण को प्रदर्शित करता है, जिसके परिणामस्वरूप 1.8 eV बैंडगैप वाली पतली फिल्में और 0.5% की पावर कन्वर्जन एफिशिएंसी प्राप्त करने वाले फोटोवोल्टिक उपकरण प्राप्त होते हैं।
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सौर ऊर्जा तकनीक लंबे समय से पेरोव्स्काइट्स (perovskites) नामक सामग्रियों के एक वर्ग पर निर्भर रही है, जो ऐसे क्रिस्टल हैं जो सूर्य के प्रकाश को पकड़ने और उसे उल्लेखनीय दक्षता के साथ बिजली में बदलने में सक्षम हैं। इन सामग्रियों के पारंपरिक संस्करणों में अक्सर लेड (सीसा) होता है, जो एक जहरीली धातु है जो पर्यावरणीय और स्वास्थ्य संबंधी जोखिम पैदा करती है, जिससे इनका व्यापक उपयोग सीमित हो जाता है। वैज्ञानिक एक सुरक्षित विकल्प की तलाश में रहे हैं जो उच्च प्रदर्शन को बनाए रखे लेकिन खतरे को दूर कर दे। एक आशाजनक उम्मीदवार बिस्मथ (bismuth) से बना एक यौगिक है, जो एक सामान्य धातु है जो कॉस्मेटिक्स से लेकर अग्निशमन यंत्रों तक हर चीज़ में पाई जाती है, जिसे आयोडीन और सीज़ियम के साथ जोड़ा गया है। यह लेड-मुक्त सामग्री, जिसे Cs3Bi2I9 के रूप में जाना जाता है, स्थिर और गैर-विषाक्त है, लेकिन इसे इस तरह से बनाना कठिन रहा है जिससे सौर सेल के अनुकूल उच्च-गुणवत्ता वाली फिल्में तैयार की जा सकें। चुनौती यह है कि सूक्ष्म क्रिस्टल कैसे बनते हैं, इसे नियंत्रित करना; यदि वे बहुत तेज़ी से या असमान रूप से बढ़ते हैं, तो परिणामी सौर सेल बिजली को कुशलतापूर्वक प्रवाहित नहीं कर सकता है।
मलेशिया के सोलर एनर्जी रिसर्च इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं ने सामग्रियों को मिलाने के तरीके को बदलकर इस निर्माण पहेली को हल करने का प्रयास किया। रसायनों को एक मानक बीकर में मिलाने और उन्हें छोड़ने के बजाय, उन्होंने एक निरंतर-प्रवाह रिएक्टर (continuous-flow reactor) का उपयोग किया, जो एक ऐसी प्रणाली है जो तरल पूर्ववर्तियों (precursors) को एक संकीर्ण चैनल के माध्यम से धकेलती है जहाँ वे सटीक परिस्थितियों में आपस में मिलते और प्रतिक्रिया करते हैं। टीम ने एक एकल चर (variable) पर ध्यान केंद्रित किया: मिश्रण द्वारा इस चैनल के भीतर बिताया गया समय, जिसे निवास समय (residence time) कहा जाता है। उन्होंने यह देखने के लिए तीन अलग-अलग अवधियाँ परीक्षण कीं कि प्रतिक्रिया की लंबाई ने अंतिम क्रिस्टल को कैसे प्रभावित किया। इस समय को समायोजित करके, उनका लक्ष्य क्रिस्टल को बड़ा, अधिक एकसमान और कम आंतरिक दोषों के साथ विकसित करने के लिए निर्देशित करना था, जो प्रकाश को पकड़ने और विद्युत आवेश को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक हैं।
परिणामों ने दिखाया कि समय वास्तव में एक महत्वपूर्ण कारक था। जब मिश्रण रिएक्टर के माध्यम से केवल बीस सेकंड के लिए प्रवाहित हुआ, तो परिणामी क्रिस्टल छोटे, अनियमित और आपस में गुच्छेदार थे। इन छोटी प्रतिक्रिया समयों ने परमाणुओं को एक व्यवस्थित संरचना में खुद को व्यवस्थित करने के लिए पर्याप्त अवसर नहीं दिया। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने समय बढ़ाकर चालीस सेकंड किया, क्रिस्टल में सुधार होने लगा, वे अधिक एकसमान हो गए। हालाँकि, सबसे अच्छे परिणाम तब मिले जब मिश्रण को साठ सेकंड तक बहने दिया गया। इस अवधि पर, क्रिस्टल सुस्पष्ट, शीट जैसी संरचनाओं में विकसित हुए जो कम समय में बने क्रिस्टल की तुलना में काफी बड़े और अधिक पूर्णतः व्यवस्थित थे। टीम ने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) का उपयोग करके इसकी पुष्टि की, जो एक क्रिस्टल की आंतरिक व्यवस्था को प्रकट करने वाली एक तकनीक है। साठ सेकंड वाले नमूनों ने उच्चतम स्तर की संरचनात्मक व्यवस्था दिखाई, जिसमें कम दोष थे जो विद्युत ऊर्जा को रोक सकते थे या नष्ट कर सकते थे।
इस संरचनात्मक सुधार का सीधा प्रभाव तब पड़ा जब इस सामग्री को सौर सेल में बदला गया। शोधकर्ताओं ने विभिन्न समयों पर बने क्रिस्टल का उपयोग करके छोटे उपकरण बनाए, जिसमें उन्हें बिजली के प्रवाह के लिए अन्य सामग्रियों की परतों के बीच सैंडविच की तरह रखा गया। साठ सेकंड वाले क्रिस्टल से बने सेल ने सबसे अच्छा प्रदर्शन किया, जिससे 0.73 वोल्ट का वोल्टेज और 5.9 × 10⁻² mA cm⁻² का करंट डेंसिटी उत्पन्न हुई। हालांकि सूर्य के प्रकाश को बिजली में बदलने की समग्र दक्षता 0.50 प्रतिशत के मामूली स्तर पर थी, लेकिन यह तेज़, बीस सेकंड की प्रक्रिया से बने सेल की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार था, जिसमें बढ़ता हुआ वोल्टेज के साथ करंट डेंसिटी में तेजी से गिरावट देखी गई थी। यह व्यवहार अपर्याप्त क्रिस्टलीकरण और उच्च दोष घनत्व के कारण खराब चार्ज ट्रांसपोर्ट और उच्च पुनर्संयोजन (recombination) नुकसान को दर्शाता था। साठ सेकंड वाले उपकरणों ने बहुत उच्च फिल फैक्टर भी दिखाया, जो एक माप है कि सेल कितनी प्रभावी ढंग से बिजली वितरित करता है, जो 77.6 प्रतिशत तक पहुँच गया। यह इंगes करता है कि धीमी, नियंत्रित वृद्धि ने सामग्री को एक उच्च-गुणवत्ता वाली फिल्म बनाने में मदद की जो बिजली को बहुत सुचारू रूप से स्थानांतरित कर सकती है।
अध्ययन ने यह भी देखा कि ये नए क्रिस्टल गर्मी के प्रति कितने स्थिर हैं। थर्मल विश्लेषण का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने पाया कि सामग्री लगभग 450 डिग्री सेल्सियस तक स्थिर रहती है इससे पहले कि वह टूटने लगे। यह उच्च तापीय स्थिरता अन्य प्रकार की सौर सामग्रियों की तुलना में एक बड़ा लाभ है जो बहुत कम तापमान पर खराब हो जाती हैं, जो यह सुझाव देती है कि ये बिस्मथ-आधारित क्रिस्टल सामान्य संचालन या निर्माण के दौरान उत्पन्न होने वाली गर्मी को सहन कर सकते हैं। टीम ने निष्कर्ष निकाला कि फ्लो रिएक्टर में रसायनों के प्रतिक्रिया करने के समय को नियंत्रित करना लेड-मुक्त सौर सामग्रियों की गुणवत्ता को ट्यून करने का एक शक्तिशाली तरीका है। हालांकि दक्षता के आंकड़े अभी घर चलाने के लिए तैयार नहीं हैं, लेकिन यह कार्य एक स्पष्ट मार्ग प्रदर्शित करता है: प्रक्रिया को बस थोड़ा धीमा करके, वैज्ञानिक इन सुरक्षित, लेड-मुक्त क्रिस्टल को उन उच्च-गुणवत्ता वाली संरचनाओं में ढाल सकते हैं जिनकी अगली पीढ़ी की सौर ऊर्जा के लिए आवश्यकता है।
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