Numerical Study of Formamidinium Lead Iodide Perovskite Solar Cells using Solar Cell Capacitance Simulator (SCAPS-1D) Software
यह अध्ययन एक इंटरफ़ेस डिफेक्ट लेयर के साथ एक लागत प्रभावी, अकार्बनिक n-i-p प्लेनर FAPbI₃ पेरोव्स्काइट सौर सेल आर्किटेक्चर प्रस्तावित करने के लिए SCAPS-1D सिमुलेशन का उपयोग करता है, जो लगभग 25.81% की सैद्धांतिक पावर कन्वर्जन दक्षता प्राप्त करता है।
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सौर ऊर्जा लंबे समय से कठोर सिलिकॉन पैनलों के क्षेत्र में रही है, लेकिन प्रकाश-हार्वेस्टिंग (प्रकाश-संग्रहण) तकनीक की एक नई पीढ़ी नियमों को फिर से लिख रही है। ये पेरोव्स्काइट सौर सेल हैं, जो एक विशिष्ट क्रिस्टल संरचना से बने उपकरणों का एक वर्ग है जिसे पतली, लचीली फिल्मों के रूप में विकसित किया जा सकता है। अपने सिलिकॉन संबंधी भाइयों के विपरीत, जिन्हें निर्माण के लिए उच्च ताप और महंगी मशीनरी की आवश्यकता होती है, इन नए सेल्स को सरल रासायनिक समाधानों का उपयोग करके बनाया जा सकता है, जो सस्ते और अधिक बहुमुखी शक्ति का मार्ग प्रदान करते हैं। हालांकि, इन सेल्स को हमारे ऊर्जा ग्रिड का एक विश्वसनीय हिस्सा बनने के लिए, उन्हें न केवल सूर्य के प्रकाश को बिजली में बदलने में कुशल होना चाहिए, बल्कि दशकों तक बिना खराब हुए टिकने के लिए पर्याप्त स्थिर भी होना चाहिए। एक बड़ी बाधा उन सामग्रियों का उपयोग रही है जो प्रकाश से उत्पन्न विद्युत आवेशों को ले जाने का काम करती हैं; कई बेहतरीन प्रदर्शन करने वाली सामग्रियां कार्बनिक यौगिक हैं जो गर्मी या नमी के तहत टूट जाती हैं, जिससे उपकरण का जीवनकाल सीमित हो जाता है।
हाल ही के एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह पता लगाने के लिए कि एक ऐसा पेरोव्स्काइट सौर सेल कैसे बनाया जाए जो अत्यधिक कुशल भी हो और टिकाऊ भी, एक शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन टूल का उपयोग किया। नाजुक कार्बनिक सामग्रियों पर निर्भर रहने के बजाय, उन्होंने बिजली के परिवहन के लिए केवल अकार्बनिक, या खनिज-आधारित परतों का उपयोग करके एक उपकरण डिजाइन किया। एक विशिष्ट वास्तुकला के साथ वर्चुअली एक सौर सेल का निर्माण करके और हजारों विविधताओं का परीक्षण करके, उन्होंने प्रत्येक परत की मोटाई और सामग्रियों की गुणवत्ता को ट्यून करना सीखा ताकि 25.81 प्रतिशत की सैद्धांतिक दक्षता प्राप्त की जा सके। उनका कार्य यह सुझाव देता है कि महंगी, अस्थिर घटकों को मजबूत, कम लागत वाले खनिजों से बदलकर, ऐसे सौर सेल बनाना संभव है जो न केवल शक्तिशाली हैं बल्कि वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए पर्याप्त टिकाऊ भी हैं।
शोधकर्ताओं ने अपना ध्यान फॉर्मैमिडिनियम लीड आयोडाइड नामक पेरोव्स्काइट सामग्री के एक विशिष्ट प्रकार पर केंद्रित किया। इस सामग्री को इसकी प्रभावी ढंग से प्रकाश अवशोषित करने की क्षमता और इसकी तापीय स्थिरता के लिए सराहा जाता है, जो इसे पिछले प्रयोगों में उपयोग किए गए कम स्थिर संस्करणों को बदलने के लिए एक मजबूत उम्मीदवार बनाता है। सेल के भीतर बिजली के प्रवाह को निर्देशित करने के लिए, टीम ने दो अकार्बनिक सामग्रियों का चयन किया: इलेक्ट्रॉन को स्थानांतरित करने वाली परत के लिए टिन ऑक्साइड और धनात्मक आवेशों, या 'होल्स' को स्थानांतरित करने वाली परत के लिए कॉपर आयोडाइड। उन्होंने सौर सेल को परत दर परत बनाया, जिसकी शुरुआत एक पारदर्शी फ्रंट इलेक्ट्रोड से हुई, उसके बाद इलेक्ट्रॉन ट्रांसपोर्ट लेयर, पेरोव्स्काइट एब्जॉर्बर, होल ट्रांसपोर्ट लेयर और अंत में एक सिल्वर बैक कॉन्टैक्ट था। इस डिजिटल मॉडल ने उन्हें ऐसे प्रयोग करने की अनुमति दी जो भौतिक प्रयोगशाला में करना कठिन, महंगा या समय लेने वाला होता।
उनके अन्वेषण का एक केंद्रीय हिस्सा यह समझना था कि सामग्रियों के भीतर दोष (defects) प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करते हैं। वास्तविक दुनिया में, क्रिस्टल शायद ही कभी पूर्ण होते हैं; उनमें सूक्ष्म खामियां होती हैं जहाँ परमाणु गायब या गलत स्थान पर होते हैं। ये दोष जाल (traps) के रूप में कार्य करते हैं जो विद्युत आवेशों को पकड़ लेते हैं, जिससे वे बिजली के रूप में एकत्र होने से पहले ही गायब हो जाते हैं। शोधकर्ताओं ने सिम्युलेट किया कि मुख्य प्रकाश-अवशोषक परत के भीतर और परतों के मिलन बिंदु पर दोषों की संख्या कैसे सेल के आउटपुट को बदलती है। उन्होंने पाया कि जबकि सेल कुछ खामियों को सहन कर सकता है, लेकिन बहुत अधिक दोषों की उपस्थिति, विशेष रूप से इलेक्ट्रॉन ट्रांसपोर्ट लेयर और एब्जॉर्बर के बीच के इंटरफेस पर, दक्षता में भारी गिरावट लाती है। जब इस महत्वपूर्ण जंक्शन पर दोष घनत्व अधिक था, तो सेल की बिजली उत्पन्न करने की क्षमता तेजी से गिर गई, जो एक कार्यरत उपकरण में त्रुटिहीन इंटरफेस की आवश्यकता को रेखांकित करता है।
टीम ने प्रदर्शन के लिए "स्वीट स्पॉट" खोजने के लिए डिवाइस के भौतिक आयामों को भी व्यवस्थित रूप से समायोजित किया। उन्होंने इलेक्ट्रॉन ट्रांसपोर्ट लेयर और मुख्य एब्जॉर्बर लेयर की मोटाई को बदला, जिसमें बहुत पतली फिल्मों से लेकर बहुत मोटी फिल्मों तक का परीक्षण किया गया। उनके सिमुलेशन ने खुलासा किया कि इलेक्ट्रॉन ट्रांसपोर्ट लेयर के लिए 300 नैनोमीटर और एब्जॉर्बर लेयर के लिए 500 नैनोमीटर की मोटाई ने सर्वोत्तम परिणाम दिए। यदि एब्जॉर्बर बहुत पतला होता, तो वह पर्याप्त करंट उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त सूर्य का प्रकाश नहीं पकड़ पाता। यदि यह बहुत मोटा होता, तो विद्युत प्रतिरोध बढ़ जाता, और आवेश इलेक्ट्रोड तक पहुँचने से पहले ही आपस में मिल जाते (recombine), जिससे ऊर्जा नष्ट हो जाती। इसी प्रकार, उन्होंने परीक्षण किया कि विभिन्न तापमानों के तहत डिवाइस कैसा व्यवहार करता है, यह पाते हुए कि जैसे-जैसे गर्मी बढ़ती है, सेल का प्रदर्शन घटता जाता है, जो कई सौर प्रौद्योगिकियों के लिए एक सामान्य चुनौती है।
इन अनुकूलित मापदंडों को जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक वर्चुअली सौर सेल का निर्माण किया जिसने असाधारण रूप से अच्छा प्रदर्शन किया। मानक सूर्य के प्रकाश की स्थिति और मध्यम तापमान के तहत, उनके सर्वश्रेष्ठ डिजाइन ने 25.81 प्रतिशत की पावर कन्वर्जन एफिशिएंसी (शक्ति रूपांतरण दक्षता) हासिल की। यह आंकड़ा उस प्रतिशत को दर्शाता है जो सूर्य की ऊर्जा को सफलतापूर्वक बिजली में बदल दिया जाता है। उपकरण ने उच्च वोल्टेज और एक मजबूत करंट भी उत्पन्न किया, जो यह दर्शाता है कि उनके द्वारा चुनी गई अकार्बनिक सामग्रियां कार्बनिक विकल्पों के साथ जुड़े नुकसानों के बिना आवेशों को कुशलतापूर्वक ले जाने में सक्षम हैं। अध्ययन का सुझाव है कि सामग्रियों और आयामों का यह विशिष्ट संयोजन एक ऐसा स्थिर वातावरण बनाता है जहाँ पेरोव्स्काइट परत अपनी चरम क्षमता पर कार्य कर सकती है।
इस कार्य का महत्व यह प्रदर्शित करने में निहित है कि उच्च प्रदर्शन के लिए महंगी या अस्थिर सामग्रियों की आवश्यकता नहीं होती है। पारंपरिक कार्बनिक ट्रांसपोर्ट लेयर्स को टिन ऑक्साइड और कॉपर आयोडाइड जैसी अकार्बनिक परतों से बदलकर, शोधकर्ताओं ने सौर सेल के लिए एक मार्ग दिखाया है जो न केवल कुशल हैं बल्कि गर्मी और पर्यावरणीय तनाव के प्रति स्वाभाविक रूप से अधिक स्थिर भी हैं। हालांकि ये परिणाम कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से प्राप्त किए गए हैं और अभी तक भौतिक रूप से लैब में परीक्षण नहीं किए गए हैं, फिर भी ये निष्कर्ष भविष्य के प्रयोगों के लिए एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करते हैं। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि सही लेयर थिकनेस और न्यूनतम दोषों के साथ, एक पूर्ण-अकार्बनिक पेरोव्स्काइट सौर सेल क्षेत्र में देखे जाने वाले सर्वोत्तम दक्षताओं के बराबर हो सकता है, जो अधिक टिकाऊ और लागत प्रभावी सौर ऊर्जा भविष्य की ओर एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।
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