Experimentally Realistic SCAPS-1D Optimization of Carbon Electrode-based CsFAMAPbIBr Triple-cation Mixed-halide Perovskite Solar Cells

सौर सेल आधुनिक ऊर्जा संक्रमण के शांत इंजन हैं, जो सूर्य के प्रकाश को पकड़ते हैं और उसे बिजली में बदलते हैं। दशकों से, सबसे कुशल उपकरण महंगी सामग्रियों और जटिल विनिर्माण प्रक्रियाओं पर निर्भर रहे हैं, जिनमें अक्सर दुर्लभ धातुओं और उच्च-तापमान वाले ओवन की आवश्यकता होती है। हाल के वर्षों में, पेरोव्स्काइट्स (perovskites) नामक सामग्रियों का एक नया वर्ग एक आशाजनक विकल्प के रूप में उभरा है। ये क्रिस्टल बनाना अपेक्षाकृत आसान है और इन्हें प्रकाश को बहुत प्रभावी ढंग से अवशोषित करने के लिए ट्यून किया जा सकता है। हालाँकि, उन्हें दुनिया के लिए वास्तव में उपयोगी बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को दो निरंतर समस्याओं को हल करने की आवश्यकता है: उन्हें लंबे समय तक टिकने के लिए पर्याप्त स्थिर बनाना, और उन्हें बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए पर्याप्त सस्ता बनाना। एक प्रमुख लागत कारक बैक इलेक्ट्रोड (back electrode) है, जो बिजली एकत्र करने वाली धातु की परत है। पारंपरिक उच्च-दक्षता वाले सेल सोने या चांदी का उपयोग करते हैं, जो महंगे हैं और जिन्हें जमा करने के लिए वैक्यूम चैंबर की आवश्यकता होती है। शोधकर्ता सक्रिय रूप से इन उत्कृष्ट धातुओं को कार्बन जैसी प्रचुर और सस्ती चीज़ से बदलने का तरीका खोज रहे हैं, बिना उस शक्ति से समझौता किए जो सेल उत्पन्न कर सकता है।

यह अध्ययन ठीक इसी चुनौती का अन्वेषण करता है। शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार के सौर सेल को डिजाइन और परीक्षण करने के लिए एक परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन टूल का उपयोग किया। एक प्रयोगशाला में भौतिक उपकरण बनाने के बजाय, उन्होंने एक आभासी मॉडल (virtual model) बनाया ताकि यह देखा जा सके कि सामग्रियों की विभिन्न परतें एक-दूसरे के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती हैं। उनका लक्ष्य एक विशिष्ट डिज़ाइन को अनुकूलित करना था जो ट्रिपल-केशन पेरोव्स्काइट (triple-cation perovskite) का उपयोग करता है—जो सीज़ियम, फॉर्मैमिडिनियम और मिथाइलअमोनियम का एक जटिल मिश्रण है जिसे लेड, आयोडीन और ब्रोमीन के साथ मिलाया गया है। यह विशिष्ट मिश्रण सरल संस्करणों की तुलना में अधिक स्थिर होने के लिए जाना जाता है। शोधकर्ताओं ने इस एब्जॉर्बर लेयर (absorber layer) को कार्बन बैक इलेक्ट्रोड के साथ जोड़ा, जिसका लक्ष्य यह सिद्ध करना था कि सोने के बिना भी एक उच्च-प्रदर्शन वाला सेल बनाया जा सकता है। उन्होंने केवल स्क्रीन पर उच्चतम संभव संख्या की तलाश नहीं की; उन्होंने अपने सिमुलेशन को जानबूझकर केवल उन मापदंडों तक सीमित रखा जो वास्तविक दुनिया के प्रयोगों में प्रदर्शित किए गए हैं। इसका अर्थ था वास्तविक दोष घनत्व (defect densities), सीमित विद्युत प्रतिरोध, और ऐसी सामग्री की मोटाई का उपयोग करना जिसे वास्तव में एक कारखाने में प्राप्त किया जा सके।

शोधकर्ताओं ने विभिन्न ट्रांसपोर्ट लेयर्स (transport layers) के संयोजनों का परीक्षण करके शुरुआत की, जो इलेक्ट्रॉनों और होल्स को संपर्कों की ओर निर्देशित करती हैं। उन्होंने पाया कि एक विशिष्ट व्यवस्था सबसे अच्छा काम करती है: फ्लोरीन-डोप्ड टिन ऑक्साइड की एक अग्र परत, उसके बाद इलेक्ट्रॉनों को निर्देशित करने के लिए बेरियम स्टैनेट की एक पतली परत, ट्रिपल-केशन पेरोव्स्काइट एब्जॉर्बर, होल्स को निर्देशित करने के लिए कॉपर ऑक्साइड की एक परत, और अंत में कार्बन बैक कॉन्टैक्ट। इस प्रारंभिक, गैर-अनुकूलित अवस्था में, आभासी उपकरण ने 19.91 प्रतिशत की दक्षता उत्पन्न की। यह एक ठोस शुरुआती बिंदु था, लेकिन टीम जानती थी कि वे इससे बेहतर कर सकते हैं। इसके बाद उन्होंने व्यवस्थित रूप से प्रत्येक परत की मोटाई, सामग्रियों के भीतर चार्ज वाहकों की सांद्रता, और दोषों के घनत्व (defects)—जो क्रिस्टल संरचना में सूक्ष्म खामियां हैं और ऊर्जा को रोक सकती हैं या बर्बाद कर सकती हैं—को समायोजित किया।

जैसे-जैसे उन्होंने मॉडल को परिष्कृत किया, प्रदर्शन बढ़ता गया। एब्जॉर्बर लेयर की मोटाई को 0.9 माइक्रोमीटर करने और कॉपर ऑक्साइड के डोपिंग स्तरों को अनुकूलित करने के माध्यम से, सिम्युलेटेड दक्षता काफी बढ़ गई। सबसे महत्वपूर्ण कारक स्वयं एब्जॉर्बर सामग्री की गुणवत्ता और उपकरण का विद्युत प्रतिरोध निकले। शोधकर्ताओं ने पाया कि पेरोव्स्काइट क्रिस्टल के भीतर दोषों का घनत्व सबसे संवेदनशील पैरामीटर था; इन खामियों में थोड़ी सी भी वृद्धि प्रदर्शन में भारी गिरावट लाती है। इसी तरह, प्रतिरोध जो सेल के माध्यम से करंट को लीक होने से रोकता है, जिसे शंट रेजिस्टेंस (shunt resistance) कहा जाता है, उसे ऊर्जा हानि को रोकने के लिए बहुत उच्च रखना आवश्यक था। जब उन्होंने इन नुकसानों को न्यूनतम किया और शेष चरों को अनुकूलित किया, तो आभासी उपकरण ने 26.97 प्रतिशत की पावर कन्वर्जन एफिशिएंसी (power conversion efficiency) प्राप्त की। यह प्रारंभिक प्रोटोटाइप की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है और महंगे सोने के इलेक्ट्रोड का उपयोग करने वाले कई प्रायोगिक उपकरणों के समान है।

अध्ययन ने यह भी जांचा कि विभिन्न स्थितियों के तहत उपकरण कैसा व्यवहार करेगा। उन्होंने 290 केल्विन से 330 केल्विन के तापमान रेंज में सेल के प्रदर्शन का अनुकरण किया, जो विशिष्ट परिचालन वातावरण को कवर करता है। परिणामों ने दिखाया कि उपकरण उल्लेखनीय रूप से स्थिर रहा, इस रेंज में 26 प्रतिशत से ऊपर की दक्षता बनाए रखी। तापमान बढ़ने के साथ वोल्टेज थोड़ा कम हो गया, जो एक सामान्य भौतिक व्यवहार है, लेकिन समग्र आउटपुट मजबूत बना रहा। शोधकर्ताओं ने अपने कार्बन-आधारित डिज़ाइन की तुलना सोने या चांदी का उपयोग करने वाले अन्य सिमुलेशन से भी की। जबकि उन उत्कृष्ट-धातु डिजाइनों ने कभी-कभी उच्च सैद्धांतिक सीमाएं दिखाईं, कार्बन-आधारित डिज़ाइन ने एक प्रचुर और सस्ती सामग्री का उपयोग करते हुए प्रतिस्पर्धी 26.97 प्रतिशत हासिल किया। यह सुझाव देता है कि जब डिवाइस को ठीक से अनुकूलित किया जाता है, तो कार्बन के उपयोग के लिए ट्रेड-ऑफ (trade-off) न्यूनतम होता है।

अंततः, यह कार्य बेहतर सौर सेल बनाने के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है। यह प्रदर्शित करता है कि यदि अन्य परतों को सही ढंग से इंजीनियर किया जाए, तो उच्च दक्षता के लिए अनिवार्य रूप से उत्कृष्ट धातुओं की आवश्यकता नहीं होती है। अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि कम लागत वाले, उच्च-प्रदर्शन वाले सौर सेल बनाने का मार्ग एब्जॉर्बर लेयर में दोषों को दबाने और विद्युत कनेक्शनों को टाइट और लीकेज मुक्त सुनिश्चित करने में निहित है। बैक इलेक्ट्रोड को सरल और कार्बन-आधारित रखकर, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि एक ऐसा उपकरण डिजाइन करना संभव है जो कुशल और बड़े पैमाने पर विनिर्माण के लिए आर्थिक रूप से व्यवहार्य दोनों हो। ये निष्कर्ष वास्तविक दुनिया के निर्माण से सैद्धांतिक मॉडलों तक जाने के लिए एक व्यावहारिक रणनीति प्रदान करते हैं, जो यह सुझाव देते हैं कि अगली पीढ़ी के सौर पैनल शक्तिशाली और किफायती दोनों हो सकते हैं।