Thermally Adaptive Interfacial Polymer Network Enables Space-Compatible Perovskite Solar Cells

सूर्य का प्रकाश एक शक्तिशाली इंजन है, लेकिन यह एक कठोर वातावरण भी है। पृथ्वी की कक्षा में चक्कर काट रहे उपग्रहों को शक्ति देने वाले सौर पैनलों के लिए, चुनौती केवल प्रकाश को पकड़ने की नहीं है, बल्कि तापमान के उन हिंसक उतार-चढ़ावों से बचने की भी है जो वे ग्रह की छाया में आते-जाते समय अनुभव करते हैं। अंतरिक्ष के निर्वात में, एक उपग्रह कुछ ही मिनटों में सौ डिग्री सेल्सियस तक गर्म हो सकता है और फिर माइनस साठ डिग्री सेल्सियस तक जम सकता है। ये तीव्र बदलाव सामग्रियों को फैलने और सिकुड़ने का कारण बनते हैं, जिससे अदृश्य तनाव पैदा होता है जो सौर सेल के भीतर की नाजुक परतों को तोड़ देता है और कमजोर कर देता है। जबकि मेटल हैलाइड पेरोव्स्काइट्स (metal halide perovskites) से बना एक नया प्रकार का सौर सेल पारंपरिक सिलिकॉन का एक हल्का और कुशल विकल्प प्रदान करता है, इन सेल्स को ऐतिहासिक रूप से ऐसे अत्यधिक थर्मल झटकों को सहने में संघर्ष करना पड़ा है। समस्या अक्सर उस छिपे हुए सीमा (boundary) पर होती है जहाँ प्रकाश-अवशोषक परत विद्युत संपर्कों (electrical contacts) से मिलती है; जब सामग्रियां अलग-अलग दरों पर फैलती और सिकुड़ती हैं, तो यह दबी हुई इंटरफेस (interface) टूट जाती है, जिससे ऐसे दोष पैदा होते हैं जो ऊर्जा को बाहर निकलने देते हैं और अंततः उपकरण को नष्ट कर देते हैं।

फूदान विश्वविद्यालय (Fudan University) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन सौर सेल्स को अंतरिक्ष की कठोरता से बचने के लिए पर्याप्त लचीला बनाने का एक तरीका खोजा है। उन्होंने विद्युत संपर्क और प्रकाश-अवशोषक क्रिस्टल के बीच एक विशेष पॉलीमर, जो एक प्रकार का प्लास्टिक है, की एक पतली परत पेश की। यह पॉलीमर एक स्मार्ट, अनुकूलन योग्य कुशन (cushion) की तरह कार्य करता है। इसे गर्म होने पर अपनी भौतिक अवस्था बदलने के लिए डिज़ाइन किया गया है। कमरे के तापमान पर, यह कठोर होता है, लेकिन जब सौर सेल संचालन के दौरान या सूर्य के प्रकाश में गर्म होता है, तो पॉलीमर नरम हो जाता है और एक खिंचावदार, जेल जैसे नेटवर्क में बदल जाता है। यह परिवर्तन सामग्री को नीचे स्थित क्रिस्टल के साथ बंधन को तोड़े बिना विस्तार और संकुचन के तनाव को सोखने की अनुमति देता है। इंटरफेस को उतार-चढ़ाव के बावजूद बरकरार रखकर, शोधकर्ताओं ने उन नए दरारों और दोषों के निर्माण को रोका जो आमतौर पर इन उपकरणों को नष्ट कर देते हैं।

उन्होंने जिस सामग्री को चुना है उसे पॉली(2-हाइड्रॉक्सीएथिल मेथैक्रिलेट) [poly(2-hydroxyethyl methacrylate)] कहा जाता है। अपनी सामान्य अवस्था में, यह एक ठोस है, लेकिन इसमें एक विशिष्ट "ग्लास ट्रांजिशन" (glass transition) तापमान होता है, जो वह बिंदु है जहाँ यह कठोर और भंगुर से नरम और लचीला हो जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह संक्रमण एक ऐसे तापमान पर होता है जिस पर सौर सेल स्वाभाविक रूप से अपने संचालन के दौरान पहुँच जाता है। जब सेल गर्म होता है, तो परत के भीतर पॉलीमर श्रृंखलाएं हिलने और खुद को पुनर्गठित करने लगती हैं। यह गति पॉलीमर को उन सूक्ष्म अंतराल और छेदों में बहने की अनुमति देती है जो निर्माण प्रक्रिया के दौरान बन सकते हैं, जिससे प्रभावी रूप से इंटरफेस सील हो जाता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि पॉलीमर की सतह पर मौजूद रासायनिक समूह क्रिस्टल की सतह को मजबूती से पकड़ लेते हैं, जिससे वह तब भी कसकर बंधा रहता है जब सामग्रियां थर्मल तनाव के कारण अलग होने की कोशिश करती हैं। यह गतिशील पकड़ इंटरफेस को उखड़ने या उन सूक्ष्म दरारों के विकसित होने से रोकती है जो विफलता का कारण बनती हैं।

यह दृष्टिकोण काम करता है या नहीं, इसका परीक्षण करने के लिए, टीम ने इस अनुकूलन योग्य परत वाले सौर सेल्स बनाए और उन्हें निम्न-पृथ्वी कक्षा (low-Earth orbit) के कठोर वातावरण की नकल करने वाली स्थितियों के अधीन किया। उन्होंने उपकरणों को माइनस साठ डिग्री से प्लस सौ डिग्री सेल्सियस के बीच सैकड़ों बार चक्रित किया, जिसमें प्रति मिनट बत्तीस डिग्री की दर से गर्म और ठंडा किया गया। पांच सौ चालीस ऐसे तीव्र चक्रों के बाद, अनुकूलन योग्य पॉलीमर वाली सौर सेल्स ने अपनी मूल दक्षता का नब्बे प्रतिशत बनाए रखा। इसके विपरीत, इस परत के बिना मानक सेल्स ने अपने प्रदर्शन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा खो दिया, जो गिरकर केवल पचहत्तर प्रतिशत रह गया। शोधकर्ताओं ने सेल्स का तीव्र पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश और लंबे समय तक उच्च ताप के तहत भी परीक्षण किया, और पाया कि अनुकूल परत ने उपकरण को उस रासायनिक क्षरण और संरचनात्मक पतन से बचाया जो आमतौर पर इन स्थितियों में होता है।

केवल तनाव से बचने के अलावा, अनुकूल परत ने वास्तव में सौर सेल के काम करने के तरीके में सुधार किया। क्योंकि पॉलीमर ने अंतरालों को भर दिया और इंटरफेस को सुचारू बना दिया, इसलिए सूर्य के प्रकाश से उत्पन्न विद्युत आवेश उपकरण के माध्यम से अधिक आसानी से चल सकते थे। इसके परिणामस्वरूप, प्रकाश को बिजली में बदलने की दक्षता अधिक कुशल रही। सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन करने वाले उपकरण ने सत्ताईस दशमलव दो पांच प्रतिशत की दक्षता हासिल की, जो इस प्रकार की तकनीक के लिए एक उच्च स्तर है, और एक प्रमाणित माप ने सत्ताईस दशमलव एक नौ प्रतिशत की दक्षता की पुष्टि की। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि सेल्स निरंतर संचालन के तहत सैकड़ों घंटों तक स्थिर रहे, और लगभग नब्बे प्रतिशत आउटपुट बनाए रखा।

इस पद्धति की सफलता अत्यधिक वातावरण के लिए टिकाऊ इलेक्ट्रॉनिक्स बनाने के बारे में सोचने के एक नए तरीके का सुझाव देती है। हर परत को कठोर और अपरिवर्तनीय बनाने के बजाय, जो अक्सर तनाव के तहत टूटने का कारण बनता है, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि एक ऐसी सामग्री पेश करना जो गर्मी के जवाब में अपना आकार बदल सके, स्थायी सुरक्षा प्रदान कर सकता है। यह दृष्टिकोण केवल एक टूटे हुए हिस्से को ठीक नहीं करता है; यह इंटरफेस को बदलते परिवेश के साथ सांस लेने और हिलने-डुलने की अनुमति देकर क्षति को होने से रोकता है। अंतरिक्ष अन्वेषण के भविष्य के लिए, जहाँ विश्वसनीय शक्ति महत्वपूर्ण है, एक ताप-उत्तरदायी प्लास्टिक परत का यह सरल लेकिन प्रभावी रणनीति एक ऐसे उपग्रह और उसके बीच का अंतर हो सकती है जो पहले वर्ष में विफल हो जाता है और एक ऐसे उपग्रह के बीच जो दशकों तक मिशनों को शक्ति प्रदान करना जारी रखता है।