Detailed Characterization of Methylammonium and Formamidinium Bismuth Iodide Perovskite Thin Films, Focusing on Electrical Properties for Optoelectronic Applications

सौर ऊर्जा की दुनिया में, वैज्ञानिक लंबे समय से ऐसे पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो वर्तमान सिलिकॉन पैनलों की तुलना में सूर्य के प्रकाश को अधिक कुशलता से पकड़कर उसे बिजली में बदल सकें। वर्षों से, पेरोव्स्काइट्स (perovskites) नामक पदार्थों के एक परिवार ने बड़ी संभावना दिखाई है, लेकिन कई बेहतरीन प्रदर्शन करने वाले पदार्थों में लेड (सीसा) होता है, जो एक जहरीली धातु है और पर्यावरणीय एवं स्वास्थ्य जोखिम पैदा करती है। इसने शोधकर्ताओं को सुरक्षित, लेड-मुक्त विकल्पों की तलाश करने के लिए प्रेरित किया है जिनमें विद्युत आवेशों का संचालन करने की समान क्षमता हो। सबसे आशाजनक उम्मीदवारों में से एक बिस्मथ (bismuth) से बने यौगिक हैं, जो कि एक बहुत कम जहरीली धातु है। हालाँकि, केवल लेड को बिस्मथ से बदलने से इस बात में बदलाव आता है कि वह पदार्थ कैसे व्यवहार करता है। इन नए पदार्थों को उपयोगी बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को यह समझना होगा कि बिजली उनके माध्यम से ठीक कैसे चलती है, वे प्रकाश को कैसे अवशोषित करते हैं, और उनकी आंतरिक क्रिस्टल संरचनाएं कैसे व्यवस्थित हैं। चुनौती इस तथ्य में निहित है कि ये पदार्थ जटिल हैं; उनका प्रदर्शन काफी हद तक इस बात पर निर्भर करता है कि उन्हें बनाने के लिए किन विशिष्ट परमाणुओं का उपयोग किया गया है और उनकी पतली परतों का निर्माण कैसे किया गया है।

स्लोवेनिया और उत्तर मैसेडोनिया के विश्वविद्यालयों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन बिस्मथ-आधारित सामग्रियों के दो विशिष्ट संस्करणों की जांच करने का निर्णय लिया। उन्होंने उन यौगिकों पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ बिस्मथ और आयोडीन परमाणु या तो मिथाइलअमोनियम या फॉर्मैमिडिनियम के साथ जुड़े हुए हैं, जो छोटे कार्बनिक अणु हैं और क्रिस्टल के भीतर संरचनात्मक स्पेसर्स (structural spacers) के रूप में कार्य करते हैं। शोधकर्ताओं ने इन सामग्रियों को प्रयोगशाला में बनाया, पहले उन्हें ठोस क्रिस्टल के रूप में उगाया और फिर उन्हें कांच की स्लाइडों पर बहुत पतली, एकसमान फिल्मों में बदल दिया, जो सौर सेल बनाने के लिए एक आवश्यक प्रक्रिया है। इन फिल्मों का सावधानीपूर्वक परीक्षण करके, टीम का लक्ष्य उनके ऑप्टिकल गुणों को निर्धारित करना था, जैसे कि एक इलेक्ट्रॉन को मुक्त करने के लिए कितनी ऊर्जा की आवश्यकता होती है, और उनका विद्युत व्यवहार, विशेष रूप से विभिन्न तापमानों पर आवेश कितनी आसानी से सामग्री के माध्यम से चल सकते हैं।

टीम ने इसकी पुष्टि करने के साथ शुरुआत की कि उन्होंने सही रासायनिक संरचनाएं सफलतापूर्वक बना ली हैं। एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) का उपयोग करते हुए, जो नमूने से एक्स-रे को टकराकर परमाणुओं की व्यवस्था को प्रकट करने वाली एक तकनीक है, उन्होंने सत्यापित किया कि क्रिस्टल ने अपेक्षित पैटर्न बनाए। उन्होंने सतह की गुणवत्ता की जांच करने के लिए शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे भी फिल्मों को देखा। चित्रों ने दिखाया कि दोनों प्रकार की फिल्में चिकनी और निरंतर थीं, जिनमें कोई बड़े अंतराल या दरारें नहीं थीं, जो किसी उपकरण के अच्छी तरह से कार्य करने के लिए महत्वपूर्ण है। एक सूक्ष्म अंतर सामने आया: फॉर्मैमिडिनियम अणुओं से बनी फिल्म, मिथाइलअमोनियम से बनी फिल्म की तुलना में सतह पर थोड़ी अधिक नियमित और व्यवस्थित दिखाई दी, जिससे पता चलता है कि कार्बनिक अणु का आकार और आकृति निर्माण के दौरान क्रिस्टल कैसे स्थिर होता है, इसे प्रभावित करती है। रासायनिक विश्लेषण ने पुष्टि की कि बिसमथ और आयोडीन परमाणुओं का अनुपात बिल्कुल वैसा ही था जैसा अनुमान लगाया गया था, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि सामग्रियां शुद्ध हैं और अवांछित अशुद्धियों से मुक्त हैं।

इसके बाद, शोधकर्ताओं ने मापा कि ये फिल्में प्रकाश के साथ कैसे प्रतिक्रिया करती हैं। जब प्रकाश किसी पदार्थ से टकराता है, तो वह तब अवशोषित हो सकता है यदि प्रकाश में इतनी ऊर्जा हो जो एक इलेक्ट्रॉन को ऐसी स्थिति में धकेल सके जहाँ वह चल सके और धारा (current) ले जा सके। टीम ने पाया कि दोनों सामग्रियां प्रकाश को बहुत अच्छी तरह से अवशोषित करती हैं, विशेष रूप से दृश्य स्पेक्ट्रम के नीले और हरे भागों में, जिससे फिल्मों को एक विशिष्ट नारंगी या गहरा लाल रंग मिलता है। अवशोषण डेटा का विश्लेषण करके, उन्होंने ऊर्जा अंतराल (energy gap) की गणना की, जो एक इलेक्ट्रॉन को मुक्त करने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा है। उन्होंने निर्धारित किया कि मिथाइलअमोनियम संस्करण का ऊर्जा अंतराल 1.98 इलेक्ट्रॉन वोल्ट है, जबकि फॉर्मैमिडिनियम संस्करण का अंतराल थोड़ा कम 1.74 इलेक्ट्रॉन वोल्ट है। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि छोटा अंतराल सामग्री को सूर्य के प्रकाश की एक व्यापक श्रेणी को प्राप्त करने की अनुमति देता है। डेटा ने संकेत दिया कि दोनों सामग्रियां अप्रत्यक्ष अर्धचालक (indirect semiconductors) के रूप में व्यवहार करती हैं, जो व्यवहार का एक विशिष्ट प्रकार है जहाँ इलेक्ट्रॉनों की गति में संवेग (momentum) का परिवर्तन शामिल होता है, जिससे यह प्रक्रिया प्रत्यक्ष अर्धचालकों की तुलना में थोड़ी अधिक जटिल हो जाती है।

यह समझने के लिए कि बिजली वास्तव में इन फिल्मों के माध्यम से कैसे यात्रा करती है, टीम ने इम्पीडेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी (impedance spectroscopy) का प्रयोग किया, जो एक विधि है जो आवृत्तियों और तापमानों की एक विस्तृत श्रृंखला में विद्युत धारा के प्रवाह के प्रति सामग्री के प्रतिरोध को मापती है। उन्होंने देखा कि जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, सामग्री का प्रतिरोध कम होता जाता है, जो अर्धचालकों का एक विशिष्ट व्यवहार है जहाँ ऊष्मा आवेश वाहकों (charge carriers) को मुक्त करने में मदद करती है। मापों से पता चला कि बिजली की गति सुचारू और निरंतर नहीं है बल्कि यह एक "हॉपिंग" (hopping) तंत्र के माध्यम से होती है। इस प्रक्रिया में, आवेश एक स्थानीयकृत स्थान से दूसरे स्थान पर कूदते हैं, और रास्ते में आने वाली छोटी ऊर्जा बाधाओं को पार करते हैं। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इन छलांगों के लिए आवश्यक ऊर्जा दोनों सामग्रियों के लिए लगभग 0.5 इलेक्ट्रॉन वोल्ट है। यह मान आमतौर पर लेड-आधारित पेरोव्स्काइट्स में देखे जाने वाले मान से अधिक है, जो यह सुझाव देता है कि हालांकि बिसमथ सामग्रियां सुरक्षित हैं, वे वर्तमान में आवेशों को धीमी गति से संचालित करती हैं।

अध्ययन ने यह भी उजागर किया कि प्रतिरोध सामग्री के भीतर कहाँ से आता है। विद्युत संकेतों ने संकेत दिया कि फिल्म को बनाने वाले छोटे क्रिस्टल, या ग्रेन (grains), के बीच की सीमाएं स्वयं ग्रेन की तुलना में अधिक प्रतिरोधी हैं। इसका अर्थ यह है कि प्रतिरोध का सबसे कम मार्ग अक्सर उन इंटरफेस (interfaces) द्वारा अवरुद्ध होता है जहाँ ये क्रिस्टल मिलते हैं। इसके अलावा, विद्युत आवेशों का विश्राम (relaxation), या वे बदलते क्षेत्र के प्रति कितनी तेज़ी से प्रतिक्रिया करते हैं, एक सरल, समान पैटर्न का पालन नहीं करता है। इसके बजाय, आवेशों ने प्रतिक्रिया समय का एक प्रसार प्रदर्शित किया, जो कई अलग-अलग प्रकार की बाधाओं वाले एक जटिल आंतरिक वातावरण का संकेत देता है। इन बाधाओं के बावजूद, शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि सामग्रियों में ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए आवश्यक मौलिक गुण मौजूद हैं। उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि बिसमथ-आधारित फिल्में अभी तक अपने लेड-आधारित समकक्षों जितनी कुशल नहीं हैं, लेकिन उनकी स्थिरता और कम विषाक्तता उन्हें भविष्य के विकास के लिए मजबूत उम्मीदवार बनाती है, विशेष रूप से यदि वैज्ञानिक क्रिस्टलों के बीच के कनेक्शन को बेहतर बनाने के तरीके खोज सकें ताकि बिजली अधिक स्वतंत्र रूप से प्रवाहित हो सके।