Co-evaporated compositionally modulated interfaces in perovskite/Si tandems
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि विलायक-मुक्त सह-वाष्पीकरण (solvent-free co-evaporation) पेरोव्स्काइट/सिलिकॉन टैंडम सौर कोशिकाओं में एक ऊर्ध्वाधर संरचनात्मक (vertically compositional) 2D/3D इंटरफेस के निर्माण को सक्षम बनाता है, जो भारी कार्बनिक धनायनों (organic cations) को हटाते हुए सुसंगत क्रिस्टल कनेक्टिविटी सुनिश्चित करने और दोष निर्माण को दबाने के माध्यम से 30.93% की रिकॉर्ड दक्षता और असाधारण दीर्घकालिक स्थिरता प्राप्त करता है।
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बेहतर सौर ऊर्जा की खोज लंबे समय से एक सरल विचार पर केंद्रित रही है: विभिन्न सामग्रियों को एक के ऊपर एक रखकर सूर्य की अधिक ऊर्जा को पकड़ना। एक ऐसे सैंडविच की कल्पना करें जहाँ ऊपरी स्लाइस को उच्च-ऊर्जा वाली नीली रोशनी को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है, और निचली स्लाइस उस कम-ऊर्जा वाली लाल रोशनी को पकड़ती है जो पार होकर निकल जाती है। यह टैंडम सौर सेल (tandem solar cells) का वादा है, विशेष रूप से वे जो पेरोव्स्काइट (perovskite) नामक एक कृत्रिम क्रिस्टल को पारंपरिक सिलिकॉन के साथ जोड़ते हैं। हालांकि इस संयोजन ने पहले ही दक्षता के रिकॉर्ड तोड़ दिए हैं, फिर भी एक जिद्दी समस्या बनी हुई है। समय के साथ, ये उपकरण खराब होने लगते हैं, जिससे बिजली उत्पन्न करने की उनकी क्षमता कम हो जाती है। इसका अपराधी अक्सर डिवाइस के भीतर गहराई में, उस अदृश्य सीमा पर छिपा होता है जहाँ दोनों परतें मिलती हैं। यहाँ, क्रिस्टल संरचना में सूक्ष्म अंतराल परमाणुओं को भटकने और प्रतिक्रिया करने की अनुमति देते हैं, जिससे वह सामग्री टूट जाती है जिसे उसे हार्वेस्ट करने के लिए बनाया गया था। वर्षों से, वैज्ञानिकों ने इन अंतरालों को तरल रसायनों का उपयोग करके भरने की कोशिश की है, लेकिन उन तरल पदार्थों में मौजूद सॉल्वैंट्स अक्सर उन नाजुक परतों को ही घोल देते हैं जिन्हें वे बचाने की कोशिश कर रहे होते हैं, जिससे मरम्मत के बजाय नुकसान का चक्र बन जाता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब बिना किसी तरल का उपयोग किए इन सौर सेल के लिए एक मजबूत और अधिक स्थिर आधार बनाने का तरीका खोज लिया है। सामग्री को परमाणु-दर-परमाणु बिछाने के लिए एक 'को-इवैपोरेशन' (co-evaporation) नामक तकनीक का उपयोग करते हुए, उन्होंने तरल पदार्थ डालने के बजाय एक शुष्क, वैक्यूम-आधारित विधि का उपयोग किया। फिल्म के विकास के पहले कुछ क्षणों के दौरान सामग्रियों के प्रवाह को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, उन्होंने पेरोव्स्काइट फिल्म के नीचे एक विशेष 'सीड लेयर' (seed layer) बनाई। यह परत दो अलग-अलग क्रिस्टल संरचनाओं का एक अनूठा मिश्रण है जो आपस में पूरी तरह से फिट बैठते हैं, जैसे कि इंटरलॉकिंग ईंटें, जो ऊपर स्थित मुख्य सौर-अवशोषक परत तक एक निर्बाध सेतु बनाती हैं। महत्वपूर्ण रूप से, यह सीड लेयर एक विशिष्ट घटक से समृद्ध है जो उन सूक्ष्म अंतरालों को भर देता है जहाँ परमाणु आमतौर पर गायब हो जाते हैं, जिससे उन विनाशकारी रासायनिक प्रतिक्रियाओं को रोका जा सके जो विफलता का कारण बनती हैं। क्योंकि यह प्रक्रिया शुष्क है, यह तरल विधियों की अव्यवस्थित विघटन समस्याओं से बचती है, जिससे शोधकर्ता बिल्कुल नीचे से सामग्री की सटीक संरचना को प्रोग्राम कर सकते हैं।
इस दृष्टिकोण के परिणाम आश्चर्यजनक हैं। जब टीम ने इस नई 'बरीड इंटरफेस' (buried interface) का उपयोग करके सौर सेल बनाए, तो उन्होंने 30.93 प्रतिशत की बिजली रूपांतरण दक्षता हासिल की, जो इस तकनीक में एक बड़ी छलांग है। लेकिन असली सफलता यह है कि यह डिवाइस समय के साथ कितनी अच्छी तरह टिकता है। उन परीक्षणों में जहाँ सेल्स को नाइट्रोजन वातावरण में तेज रोशनी के तहत लगातार चालू छोड़ा गया था, नए डिजाइन ने 1,820 घंटों के बाद भी अपने प्रारंभिक प्रदर्शन का 90 प्रतिशत बनाए रखा। इसके विपरीत, इस विशेष सीड लेयर के बिना मानक सेल्स बहुत पहले ही विफल होने लगे थे, और 300 घंटों से भी कम समय में उसी स्तर के प्रदर्शन पर गिर गए थे। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि यह स्थिरता इंटरफेस के परमाणु-स्तर की पूर्णता से आती है। व्यक्तिगत परमाणुओं को देख सकने वाले शक्तिशाली इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग करते हुए, उन्होंने देखा कि उनके नए डिजाइन में क्रिस्टल संरचनाएं निरंतर और अटूट हैं, जिनमें परमाणुओं के फिसलने के लिए कोई अंतराल नहीं है। यह निरंतरता बिजली को स्वतंत्र रूप से बहने देती है जबकि सामग्री को एक स्थिर अवस्था में लॉक रखती है, जिससे क्षरण की प्रक्रिया शुरू होने से पहले ही प्रभावी रूप से रुक जाती है।
अध्ययन ने यह भी स्पष्ट किया कि पिछले प्रयासों में से कई विफल क्यों रहे। कई शुरुआती विधियों में सतह पर एक ढाल के रूप में कार्य करने के लिए बड़े, भारी अणुओं को जोड़ने पर भरोसा किया गया था। हालांकि ये अणु कुछ नुकसान को रोक सकते हैं, लेकिन वे एक बाधा की तरह भी कार्य करते हैं, जो बिजली के प्रवाह को धीमा कर देते हैं और सेल की समग्र दक्षता को कम कर देते हैं। नया तरीका इस समझौते (trade-off) से पूरी तरह बचता है। मुख्य क्रिस्टल के समान बुनियादी निर्माण खंडों का उपयोग करके, बस उन्हें थोड़े अलग तरीके से व्यवस्थित करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी बाधा बनाई जो ऊर्जा के प्रवाह को रोके बिना क्षति को रोकती है। सूक्ष्म चित्र दिखाते हैं कि इस नई परत में परमाणु ऊपर के परमाणुओं के साथ पूरी तरह से संरेखित हैं, जिससे चार्ज के यात्रा करने के लिए एक चिकना, निर्बाध पथ बनता है। यह संरेखण उन दोषों के निर्माण को रोकता है जो आमतौर पर प्रकाश और गर्मी के तहत सामग्री के टूटने को ट्रिगर करते हैं।
यह सिद्ध करने के लिए कि यह डिजाइन वास्तविक दुनिया के परिवेश में काम करता है, टीम ने इसे एक पूर्ण सौर सेल स्टैक पर लागू किया, जिसमें पेरोव्स्काइट की नई परत को सीधे एक सिलिकॉन सेल के ऊपर रखा गया। परिणामी डिवाइस न केवल उच्च स्तर पर प्रदर्शन करता है, बल्कि उल्लेखनीय लचीलापन भी प्रदर्शित करता है। शोधकर्ताओं ने डिवाइस के आउटपुट को लगातार ट्रैक किया, यह देखते हुए कि यह निरंतर प्रकाश के तनाव को कैसे संभालता है। डेटा ने दिखाया कि नए इंटरफेस ने उन आंतरिक रासायनिक परिवर्तनों को सफलतापूर्वक दबा दिया जो आमतौर पर सौर सेल को शक्ति खोने का कारण बनते हैं। फिल्म के निचले हिस्से में कमजोर बिंदुओं को समाप्त करके, पूरी संरचना अधिक मजबूत हो गई। यह कार्य सुझाव देता है कि अगली पीढ़ी की सौर ऊर्जा की पूरी क्षमता को अनलॉक करने की कुंजी नई, विलक्षण सामग्रियां खोजने में नहीं है, बल्कि हमारे पास पहले से मौजूद परमाणुओं की सटीक व्यवस्था में महारत हासिल करने में है। यह नियंत्रित करके कि ये सामग्रियां पहले क्षण से कैसे विकसित होती हैं, वैज्ञानिक ऐसे सौर सेल बना सकते हैं जो न केवल अधिक कुशल हैं, बल्कि लंबे समय तक चलने के लिए भी निर्मित हैं, जो हमें एक ऐसे भविष्य के करीब लाते हैं जहाँ सौर ऊर्जा शक्तिशाली और स्थायी दोनों हो।
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