Revealing the Critical Role of In-Plane Charge Transport in Large-Scale Organic Photovoltaics
यह अध्ययन स्थापित करता है कि सक्रिय परत (एक्टिव लेयर) में इन-प्लेन मॉलिक्यूलर स्टैकिंग को बढ़ाना ऑर्गेनिक सोलर सेल्स के स्केलिंग के दौरान दक्षता हानि को न्यूनतम करने के लिए महत्वपूर्ण है, जो पार्श्व चार्ज परिवहन (लैटरल चार्ज ट्रांसपोर्ट) को अनुकूलित करके बड़े क्षेत्र और लचीले मॉड्यूल के लिए रिकॉर्ड-उच्च दक्षता को सक्षम बनाता है।
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सौर ऊर्जा को अक्सर भविष्य की तकनीक के रूप में कल्पित किया जाता है, लेकिन दशकों से वैज्ञानिक एक विशिष्ट प्रकार के सौर सेल को परिष्कृत कर रहे हैं जो कठोर सिलिकॉन के बजाय कार्बन-आधारित सामग्रियों से बना है। ये ऑर्गेनिक सौर सेल हल्के, लचीले होते हैं और इन्हें कागज पर स्याही की तरह छापा जा सकता है, जो सस्ते और बहुमुखी बिजली का मार्ग प्रदान करते हैं। वर्षों से, शोधकर्ता इन सेल्स को अधिक कुशल बनाने पर ध्यान केंद्रित कर रहे थे, जिसमें उनके भीतर के सूक्ष्म अणुओं को सीधा खड़ा करके व्यवस्थित किया जाता था, जैसे पेड़ों का एक जंगल, ताकि बिजली आसानी से सेल के ऊपर से नीचे तक जा सके। यह ऊर्ध्वाधर (वर्टिकल) व्यवस्था प्रयोगशालाओं में परीक्षण किए गए डाक-टिकट के आकार के छोटे उपकरणों के लिए बहुत अच्छी तरह काम करती है। हालाँकि, एक जिद्दी समस्या ने इन सेल्स को व्यावसायिक वास्तविकता बनने से रोक दिया है: जब वैज्ञानिक इन सेल्स को बड़ा बनाने की कोशिश करते हैं, जैसे कि एक खिड़की या छत की टाइल के आकार का, तो इनका प्रदर्शन तेजी से गिर जाता है। बिजली उपकरण के किनारे तक पहुँचने से पहले ही खो जाती है, ठीक वैसे ही जैसे कोई धावक लंबी दौड़ पूरी करने से पहले ही थक जाता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब यह पहचान लिया है कि इस स्केलिंग (आकार बढ़ाने की) समस्या का समाधान अणुओं को सीधा खड़ा करने में नहीं, बल्कि उन्हें लेटने और अगल-बगल से जुड़ने में मदद करने में निहित है। बीहैंग यूनिवर्सिटी और चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज सहित संस्थानों के वैज्ञानिकों के एक हालिया अध्ययन में खुलासा हुआ है कि बड़े, कुशल ऑर्गेनिक सौर सेल बनाने का रहस्य यह है कि सामग्री के भीतर क्षैतिज (होरिजॉन्टल) रूप से आवेश (चार्ज) के संचलन को सुधारा जाए, न कि केवल ऊर्ध्धर रूप से। एक विशिष्ट नई सामग्री पेश करके जो अणुओं को एक सपाट, अगल-बगल के ओरिएंटेशन में कसकर पैक होने के लिए प्रोत्साहित करती है, उन्होंने सफलतापूर्वक ऐसे सौर मॉड्यूल बनाए जो मानक लैब सेल्स की तुलना में सौ गुना से अधिक बड़े हैं और फिर भी उच्च दक्षता बनाए रखते हैं। यह खोज इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती देती है कि सफलता के लिए ऊर्ध्धर संरेखण ही एकमात्र रास्ता है और औद्योगिक पैमाने पर सौर ऊर्जा के निर्माण के लिए एक नया ब्लूप्रिंट प्रदान करती है।
ऑर्गेनिक सौर सेल को स्केल अप करने की मुख्य कठिनाई दूरी का मामला है। एक छोटे उपकरण में, सूर्य के प्रकाश से उत्पन्न बिजली को धातु के तारों तक पहुँचने के लिए बहुत कम दूरी तय करनी पड़ती है। लेकिन जैसे-जैसे उपकरण बड़ा होता जाता है, वह यात्रा बहुत लंबी हो जाती है। बिजली को संग्रह बिंदुओं (कलेक्शन पॉइंट्स) तक पहुँचने के लिए सामग्री की सतह पर तिरछी या बगल की ओर यात्रा करनी पड़ती है। यदि सामग्री को इस पार्श्व यात्रा को संभालने के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया है, तो बिजली फंस जाती है, जिससे उपकरण अपनी शक्ति खो देता है। लंबे समय तक वैज्ञानिक समुदाय ने यह माना कि इसे ठीक करने का सबसे अच्छा तरीका इलेक्ट्रोड को मोटा करना या दूरी को छोटा करने के लिए अधिक तार जोड़ना है। हालांकि ये तरीके मदद करते हैं, लेकिन वे अक्सर सूर्य के प्रकाश को रोकते हैं या बहुत अधिक खाली जगह जोड़ देते हैं, जिससे उस सेल की वास्तविक उत्पादन क्षमता सीमित हो जाती है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि वास्तविक बाधा सक्रिय परत (एक्टिव लेयर) के भीतर ही थी, वह पतली फिल्म जहाँ सूर्य के प्रकाश को बिजली में परिवर्तित किया जाता है। उन्हें संदेह था कि इस फिल्म के भीतर अणुओं की व्यवस्था ही इसकी कुंजी है।
इस विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने PTz-BO नामक एक नई सामग्री डिजाइन की। इस अणु में एक अनूठी प्रवृत्ति है कि यह एक सपाट, अगल-बगल की व्यवस्था में खुद को व्यवस्थित करता है, जिससे क्षैतिज दिशा में मजबूत संबंध बनते हैं। उन्होंने इस नई सामग्री को उच्च प्रदर्शन वाले सौर सेल्स में उपयोग की जाने वाली मानक सामग्रियों के साथ मिलाया। जब उन्होंने इन मिश्रणों का छोटे उपकरणों में परीक्षण किया, तो परिणाम अच्छे थे लेकिन रिकॉर्ड तोड़ने वाले नहीं थे। हालाँकि, असली परीक्षा तब हुई जब उन्होंने उपकरणों का आकार बढ़ाया। एक विशिष्ट सौर सेल में, क्षेत्र को बड़ा करने से दक्षता में महत्वपूर्ण गिरावट आती है क्योंकि बिजली की पार्श्व गति बहुत कठिन हो जाती है। लेकिन नई सामग्री के साथ, प्रदर्शन में गिरावट लगभग नगण्य थी। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने सौर सेल के आकार को एक वर्ग सेंटीमीटर के छोटे से अंश से बढ़ाकर एक सौ वर्ग सेंटीमीटर से अधिक के पूर्ण मॉड्यूल तक बढ़ाया, दक्षता उल्लेखनीय रूप से स्थिर रही।
शोधकर्ताओं ने पाया कि इस नई सामग्री की आवश्यकता कितनी होगी, यह सीधे इस बात पर निर्भर करता है कि सेल कितना बड़ा है। सबसे छोटे उपकरणों के लिए, नई सामग्री की थोड़ी मात्रा ही पर्याप्त थी। लेकिन जैसे-जैसे क्षेत्र एक बड़ी खिड़की के आकार तक बढ़ा, उन्हें सतह पर बिजली के प्रवाह को सुचारू रूप से बनाए रखने के लिए इसमें और अधिक सामग्री जोड़नी पड़ी। इसने उनके परिकल्पना की पुष्टि की: बड़े क्षेत्रों को सतह पर भार उठाने के लिए अणुओं के बीच मजबूत क्षैतिज कनेक्शन की आवश्यकता होती है। मिश्रण को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, उन्होंने 101.9 वर्ग सेंटीमीटर का एक कठोर सौर मॉड्यूल बनाया जिसने 15.76 प्रतिशत की दक्षता प्राप्त की। यह उस आकार के सौर मॉड्यूल के लिए दर्ज किए गए उच्चतम दक्षता स्तरों में से एक है, जो यह सिद्ध करता है कि यह रणनीति वास्तविक दुनिया के उपयोग के पैमाने पर काम करती है।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह किसी विशिष्ट सेटअप का संयोग मात्र नहीं है, टीम ने रोल-टू-रोल प्रिंटिंग प्रक्रिया का उपयोग करके बनाए गए लचीले सौर सेल्स पर भी इस पद्धति का परीक्षण किया, जो समाचार पत्रों को छापने की प्रक्रिया के समान है। उन्होंने एक वर्ग सेंटीमीटर से लेकर सौ वर्ग सेंटीमीटर से अधिक के लचीले मॉड्यूल प्रिंट किए। कठोर सेल्स की तरह ही, लचीले सेल्स ने भी तब सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन किया जब उनमें बिजली के क्षैतिज प्रवाह को सहारा देने के लिए पर्याप्त नई सामग्री शामिल थी। परिणाम दोनों कठोर और लचीले प्रारूपों में सुसंगत थे, जो दिखाते हैं कि यह सिद्धांत मजबूत है और विभिन्न निर्माण विधियों के लिए लागू करने योग्य है। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि इस सामग्री को जोड़ने से बिजली के ऊर्ध्धर संचलन को नुकसान नहीं पहुँचा, बल्कि इसने एक संतुलित प्रणाली बनाई जहाँ आवेश दोनों दिशाओं में कुशलतापूर्वक चल सकते हैं।
इस कार्य के निहितार्थ सौर ऊर्जा के भविष्य के लिए महत्वपूर्ण हैं। वर्षों से, छोटे लैब नमूनों की उच्च दक्षता और बड़े वाणिज्यिक पैनलों के खराब प्रदर्शन के बीच का अंतर एक बड़ी बाधा रहा है। यह शोध बताता है कि इस अंतर को पाटने का तरीका सौर सेल की आंतरिक संरचना के बारे में फिर से सोचना है। अणुओं के बीच क्षैतिज संबंधों को प्राथमिकता देकर, वैज्ञानिक अब ऐसी सामग्रियां डिजाइन कर सकते हैं जो विशेष रूप से बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए ट्यून की गई हों। टीम ने यह भी प्रदर्शित किया कि यह दृष्टिकोण विभिन्न प्रकार की आधार सामग्रियों के साथ काम करता है, जो यह सुझाव देता है कि यह एक सामान्य नियम है न कि केवल एक विशिष्ट रसायन के लिए काम करने वाली कोई ट्रिक।
अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि ऑर्गेनिक सौर सेल का भविष्य आवेश संचलन (चार्ज ट्रांसपोर्ट) की इस दोहरी प्रकृति को अपनाने में निहित है। केवल ऊर्ध्धर पथ पर ध्यान केंद्रित करने के बजाय, जो दशकों से अनुसंधान पर हावी रहा है, अगली पीढ़ी की सामग्रियों को क्षैतिज यात्रा को भी उतनी ही अच्छी तरह संभालने के लिए इंजीनियर किया जाना चाहिए। दृष्टिकोण में यह बदलाव ऐसे सौर सेल बनाने की अनुमति देता है जो न केवल कुशल हैं बल्कि घरों और व्यवसायों को बिजली देने के लिए पर्याप्त बड़े भी हैं। शोधकर्ताओं ने एक स्पष्ट मार्ग प्रदान किया है, यह दिखाते हुए कि अणुओं के आपस में जुड़ने के तरीके को बदलकर, पैमाने की सीमाओं को पार किया जा सकता है, जिससे लचीली, उच्च-प्रदर्शन वाली सौर ऊर्जा वास्तविकता के करीब आ सकती है।
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