Zero-dimensional perovskite layer-based PSCs for high Voc ~ 1.4 volt: Combination of DFT and OghmaNano Software

सौर सेल आधुनिक ऊर्जा परिवर्तन के शांत कार्यबल हैं, जो सूर्य के प्रकाश को पकड़ते हैं और हमारे घरों तथा उपकरणों को बिजली देने के लिए इसे बिजली में बदलते हैं। इन उपकरणों की सबसे आशाजनक नई पीढ़ी के केंद्र में पेरोव्स्काइट (perovskites) नामक सामग्रियों का एक वर्ग है। ये क्रिस्टलीय संरचनाएं प्रकाश को अवशोषित करने और इलेक्ट्रॉनों को उल्लेखनीय सहजता से मुक्त करने की अपनी क्षमता के लिए प्रसिद्ध हैं, जो अक्सर सिलिकॉन जैसी पुरानी तकनीकों से बेहतर प्रदर्शन करती हैं। हालांकि, इन सामग्रियों के सबसे कुशल संस्करण वर्तमान में लेड (सीसा) पर निर्भर हैं, जो एक जहरीली भारी धातु है और पर्यावरणीय एवं स्वास्थ्य जोखिम पैदा करती है। इसने वैज्ञानिकों को ऐसे लेड-मुक्त विकल्पों की खोज के लिए प्रेरित किया है जो उतने ही प्रभावी हों लेकिन निर्माण और निपटान के लिए सुरक्षित हों। इस खोज में एक केंद्रीय चुनौती न केवल एक गैर-विषाक्त सामग्री खोजना है, बल्कि इसे एक ऐसे उपकरण के रूप में इंजीनियर करना है जो कुशलता से प्रकाश को ग्रहण कर सके और उत्पन्न होने वाले विद्युत आवेश को उपयोग में आने से पहले लीक होने से रोक सके।

एक हालिया अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने विभिन्न पेरोव्स्काइट सामग्रियों की परतों को एक के ऊपर एक रखकर एक सौर सेल बनाने के एक अभिनव तरीके का अन्वेषण किया, जिनमें से प्रत्येक की एक अनूठी आंतरिक संरचना है। डार्को ए. नूरी के नेतृत्व में टीम ने एक ऐसे डिज़ाइन पर ध्यान केंद्रित किया जो तीन अलग-अलग प्रकार की पेरोव्स्काइट परतों को जोड़ता है: एक मानक त्रि-आयामी (three-dimensional) क्रिस्टल, एक दो-परतीय (double-layered) क्रिस्टल, और एक शून्य-आयामी (zero-dimensional) क्रिस्टल। इस अवधारणा को समझने के लिए, एक सैंडविच की कल्पना करें जहाँ ब्रेड के प्रत्येक स्लाइस और फिलिंग को अलग-अलग सामग्रियों से बनाया गया है, जिनमें से प्रत्येक को प्रकाश को पकड़ने और बिजली चलाने के लिए एक विशिष्ट कार्य करने हेतु चुना गया है। शोधकर्ताओं ने इस कार्य के लिए प्रयोगशाला में कोई भौतिक प्रोटोटाइप नहीं बनाया; इसके बजाय, उन्होंने यह मॉडल करने के लिए कि ये परतें सूर्य के प्रकाश के तहत कैसे व्यवहार करेंगी, 'ओघ्मा नैनो' (OghmaNano) नामक एक परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन टूल का उपयोग किया। इस डिजिटल दृष्टिकोण ने उन्हें इस उपकरण के भौतिक विज्ञान का उच्च सटीकता के साथ परीक्षण करने की अनुमति दी, जिससे यह गणना की जा सके कि प्रकाश परतों के माध्यम से कैसे चलता है और इलेक्ट्रॉन तथा होल (धनात्मक और ऋणात्मक आवेश जो बिजली बनाते हैं) कैसे यात्रा करते हैं और परस्पर क्रिया करते हैं।

उनके द्वारा मॉडल किया गया उपकरण CsGeCl3 नामक एक पतली अग्र परत से बना है, जो इलेक्ट्रॉनों के लिए एक गेट के रूप में कार्य करता है, जिसके बाद Cs2InCoCl6 की एक मोटी मध्य परत है, जो मुख्य प्रकाश अवशोषक के रूपв रूप में कार्य करती है। इस डिज़ाइन में नवाचार अंतिम परत से आता है: पीछे की ओर Cs3BiBr6 नामक एक शून्य-आयामी सामग्री की एक पतली शीट। क्रिस्टल की दुनिया में, "शून्य-आयामी" का अर्थ है कि परमाणु एक निरंतर ग्रिड के बजाय छोटे, अलग-थलग समूहों में व्यवस्थित होते हैं, जो दोषों को सहन करने और अवांछित आवेशों को रोकने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या इस विशिष्ट परत को जोड़ने से सेल की वोल्टेज उत्पन्न करने की क्षमता में सुधार होगा, जो वह विद्युत दबाव है जो सर्किट के माध्यम से करंट को धकेलता है।

सिमुलेशन से पता चला कि शून्य-आयामी परत को जोड़ने से सौर सेल के प्रदर्शन में परिवर्तन आया। जब शोधकर्ताओं ने नए तीन-परतीय डिज़ाइन की तुलना बिना Cs3BiBr6 वाले सरल दो-परतीय संस्करण से की, तो परिणाम चौंकाने वाले थे। नया ढांचा कम प्रकाश को परावर्तित करता है, जिसका अर्थ है कि यह सतह से टकराकर वापस जाने के बजाय सूर्य की अधिक ऊर्जा को पकड़ लेता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि शून्य-आयामी परत को जोड़ने से उत्पन्न आवेशों के पुनर्संयोजन (recombine) और एकत्र किए जाने से पहले गायब होने की दर में काफी कमी आई। दो-परतीय उपकरण में, आवेश जल्दी खो जाते थे, जिससे वोल्टेज लगभग 0.65 वोल्ट तक सीमित हो जाता था। तीन-परतीय डिज़ाइन में, शून्य-आयामी सामग्री ने एक अत्यधिक प्रभावी अवरोध के रूप में कार्य किया, जिससे इन नुकसानों को रोका जा सका और वोल्टेज बढ़कर 1.36 वोल्ट तक पहुँच गया। यह वोल्टेज वृद्धि डिवाइस की बेहतर दक्षता के पीछे का प्राथमिक चालक था।

केवल वोल्टेज के अलावा, पूरा तंत्र मिलकर बेहतर काम करता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि तीन-परतीय सेल अधिक विद्युत धारा उत्पन्न करता है और एक उच्च "फिल फैक्टर" (fill factor) बनाए रखता है, जो इस बात का माप है कि सेल उपलब्ध प्रकाश को उपयोगी शक्ति में कितनी प्रभावी ढंग से परिवर्तित करता है। परिणाम स्वरूप, एक सैद्धांतिक शक्ति रूपांतरण दक्षता 33.15 प्रतिशत रही, जो सरल दो-परतीय डिज़ाइन की 11.96 प्रतिशत दक्षता से एक बड़ी छलांग है। अध्ययन से पता चलता है कि शून्य-आयामी परत ने विभिन्न सामग्रियों के बीच ऊर्जा स्तरों को संरेखित करने में मदद की, जिससे आवेशों के यात्रा करने के लिए प्रकाश-अवशोषक कोर से विद्युत संपर्कों तक एक सुगम मार्ग बन गया। इस संरेखण ने, सामग्री की दोषों को दबाने की क्षमता के साथ मिलकर, डिवाइस को दृश्य रेंज से लेकर पराबैंगनी (ultraviolet) तक विस्तृत स्पेक्ट्रम में न्यूनतम बर्बादी के साथ प्रकाश प्राप्त करने की अनुमति दी।

हालांकि ये निष्कर्ष आशाजनक हैं, लेखक सावधानीपूर्वक नोट करते हैं कि ये परिणाम सैद्धांतिक डेटा पर आधारित कंप्यूटर मॉडल से प्राप्त हुए हैं। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि इस विशिष्ट सामग्रियों के संयोजन का भौतिक विज्ञान सिद्धांत रूप में काम करना चाहिए, लेकिन यह अभी तक यह सिद्ध नहीं करता है कि इस तरह से बनाया गया भौतिक उपकरण वास्तविक दुनिया में बिल्कुल वैसा ही प्रदर्शन करेगा। विनिर्माण दोष, समय के साथ सामग्री की स्थिरता और इंटरफ़ेस की खामियों जैसे कारकों को इस सिमुलेशन में पूरी तरह से संबोधित नहीं किया गया था। फिर भी, यह कार्य भविष्य के प्रयोगों के लिए एक मजबूत ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। यह एक विशिष्ट, लेड-मुक्त आर्किटेक्चर की पहचान करता है जो संभावित रूप से सौर ऊर्जा में विषाक्तता और दक्षता की दोहरी समस्याओं को हल कर सकता है। यह प्रदर्शित करके कि कैसे एक शून्य-आयामी परत वोल्टेज को बढ़ा सकती है और ऊर्जा हानि को कम कर सकती है, यह शोध उन वैज्ञानिकों को एक स्पष्ट दिशा प्रदान करता है जो अगली पीढ़ी के स्वच्छ, उच्च-प्रदर्शन वाले सौर सेल बनाने का लक्ष्य रख रहे हैं।