Chalcogenide perovskites BaTi(OS)3 with band gap in the optimal Shockley-Queisser range

पिछले आधे दशक से, वैज्ञानिक सूर्य की ऊर्जा को पकड़ने के लिए एक बेहतर तरीके की तलाश कर रहे हैं। जबकि सिलिकॉन से बने पारंपरिक सौर पैनलों ने हमारी अच्छी सेवा की है, शोधकर्ता लगातार ऐसे पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो बनाने में सस्ते हों, उत्पादन में आसान हों और बिजली में सूर्य के प्रकाश को अधिक कुशलता से बदलने में सक्षम हों। इस काम के लिए सामग्रियों का एक आशाजनक परिवार है जिसे पेरोव्स्काइट (perovskites) कहा जाता है। ये एक विशिष्ट, दोहराव वाले ढांचे वाले क्रिस्टल हैं जिन्हें प्रकाश को बहुत प्रभावी ढंग से अवशोषित करने के लिए ट्यून किया जा सकता है। हालाँकि, आज उपयोग किए जाने वाले सबसे प्रसिद्ध पेरोव्स्काइट्स में लेड (सीसा) होता है, जो एक जहरीली धातु है और स्वास्थ्य एवं पर्यावरणीय जोखिम पैदा करती है, और वे अक्सर नमी या गर्मी के संपर्क में आने पर टूट जाते हैं। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक एक अलग प्रकार के पेरोव्स्काइट की खोज कर रहे हैं जो प्रचुर मात्रा में उपलब्ध और गैर-विषाक्त तत्वों से बना है, विशेष रूप से उन यौगिकों की तलाश कर रहे हैं जो ऑक्सीजन को सल्फर के साथ मिलाते हैं। लक्ष्य एक ऐसा पदार्थ खोजना है जो स्थिर, सुरक्षित हो और जिसमें सौर सेल को शक्ति देने के लिए अगली पीढ़ी के सौर सेल के लिए प्रकाश को अवशोषित करने की बिल्कुल सही क्षमता हो।

हाल ही में एक अध्ययन में, मैक्सिको के ऑटोनॉमस यूनिवर्सिटी ऑफ ज़ाकाटेकस के शोधकर्ताओं ने इन नए पदार्थों में से एक को बनाने और परीक्षण करने का लक्ष्य रखा, जो बेरियम टाइटेनियम ऑक्सीसल्फाइड (barium titanium oxysulfide) नामक एक क्रिस्टल है। उन्होंने एक सामान्य, स्थिर पाउडर से शुरुआत की जिसे बेरियम टाइटेनियम ऑक्साइड के रूप में जाना जाता है और उन्होंने इसे एक विशेष भट्टी में उच्च-तापमान उपचार के अधीन किया। पाउडर को केवल गर्म करने के बजाय, उन्होंने कार्बन डाइसल्फाइड का वाष्प पेश किया, जो सल्फर के स्रोत के रूप में कार्य करता है। मिश्रण को तीन अलग-अलग तापमानों—600, 700 और 800 डिग्री सेल्सियस—पर गर्म करके, उनका लक्ष्य क्रिस्टल में ऑक्सीजन परमाणुओं के कुछ हिस्से को सल्फर परमाणुओं से बदलना था। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि तापमान बदलने से सामग्री की आंतरिक संरचना और प्रकाश को अवशोषित करने की इसकी क्षमता कैसे बदलती है, जिससे वे सौर ऊर्जा अनुप्रयोगों के लिए एक आदर्श संतुलन खोजने की उम्मीद कर रहे थे।

परिणामों ने दिखाया कि तापमान सामग्री की संरचना को नियंत्रित करने की कुंजी था। जैसे-जैसे गर्मी बढ़ी, अंतिम क्रिस्टल में सल्फर की मात्रा काफी बढ़ गई। 600 डिग्री सेल्सियस के सबसे निचले तापमान पर, सामग्री में द्रव्यमान के अनुसार लगभग 14.6 प्रतिशत सल्फर था। जब तापमान बढ़ाकर 700 डिग्री किया गया, तो सल्फर की मात्रा बढ़कर 18.2 प्रतिशत हो गई, और 800 डिग्री के उच्चतम तापमान पर, यह 20.2 प्रतिशत तक पहुँच गई। यह बदलाव केवल अधिक सल्फर जोड़ने का मामला नहीं था; इसने क्रिस्टल के आकार को मौलिक रूप से बदल दिया। प्रारंभिक सामग्री में एक टेट्रागोनल (tetragonal) संरचना थी, जो परमाणुओं की एक विशिष्ट ज्यामितीय व्यवस्था है। जैसे-जैसे अधिक सल्फर ने ऑक्सीजन को प्रतिस्थापित किया, क्रिस्टल धीरे-धीरे एक हेक्सागोनल (hexagonal) संरचना में बदल गया, जो एक अलग ज्यामितीय आकार है जो इस प्रकार के यौगिक के लिए अधिक स्थिर है। उच्चतम तापमान पर उपचारित नमूनों ने सबसे सफल प्रदर्शन किया, जो एक स्वच्छ, सुव्यवस्थित हेक्सागोनल संरचना दिखाते हैं जिसमें मूल आकार का कोई निशान नहीं बचा था।

केवल आकार बदलने के अलावा, ऊष्मा उपचार ने क्रिस्टल की गुणवत्ता में सुधार किया। शोधकर्ताओं ने छोटे व्यक्तिगत क्रिस्टल, जिन्हें क्रिस्टलाइट्स (crystallites) कहा जाता है, के आकार को मापा और पाया कि तापमान बढ़ने के साथ वे बड़े होते गए। 600 डिग्री पर बनाए गए नमूने में छोटे, कम संगठित क्रिस्टल थे, जबकि 800 डिग्री पर बनाए गए नमूने में बड़े, अधिक पूर्ण रूप से बने क्रिस्टल थे। यह सुझाव देता है कि उच्च गर्मी परमाणुओं को अधिक व्यवस्थित रूप से स्वयं को व्यवस्थित करने में मदद करती है, जिससे आंतरिक तनाव कम होता है और एक मजबूत, अधिक समान सामग्री बनती है। टीम ने प्रकाश-आधारित तकनीकों का उपयोग करके सामग्री के भीतर रासायनिक बंधों का भी विश्लेषण किया और पुष्टि की कि सल्फर और ऑक्सीजन परमाणु सफलतापूर्वक क्रिस्टल लैटिस (lattice) में एकीकृत हो गए थे, जिससे वे विशिष्ट आणविक बंध बना रहे थे जिन्हें वे खोज रहे थे।

सबसे महत्वपूर्ण खोज, यह थी कि सामग्री प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है। एक सौर सेल के कुशलता से काम करने के लिए, वह सामग्री जिससे वह बनी है, उसमें एक "बैंड गैप" (band gap) होना चाहिए, जो कि इलेक्ट्रॉन को मुक्त करने और विद्युत धारा उत्पन्न करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की विशिष्ट मात्रा है। यदि यह अंतराल बहुत चौड़ा है, तो सामग्री सूर्य की ऊर्जा के बड़े हिस्से को खो देती है; यदि यह बहुत संकीर्ण है, तो यह ऊर्जा को गर्मी के रूप में बर्बाद करती है। सौर सेल के लिए आदर्श सीमा 1.1 और 1.7 इलेक्ट्रॉन वोल्ट के बीच का एक संकीर्ण झरोखा है। शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल तापमान और सल्फर की मात्रा बढ़ाकर, वे इस बैंड गैप को सटीक रूप से ट्यून कर सकते हैं। 600 डिग्री पर बनी सामग्री का बैंड गैप 1.53 इलेक्ट्रॉन वोल्ट था। जैसे-जैसे उन्होंने गर्मी बढ़ाकर 700 और फिर 800 डिग्री की, बैंड गैप सिकुड़कर 1.51 और अंततः 1.47 इलेक्ट्रॉन वोल्ट हो गया। यह अंतिम मान सौर ऊर्जा रूपांतरण के लिए अनुकूलतम सीमा के ठीक बीच में स्थित है।

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि संश्लेषण के दौरान तापमान को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके एक नया, गैर-विषाक्त सौर पदार्थ बनाना संभव है। शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया कि वे एक सामान्य ऑक्साइड को एक सल्फर-समृद्ध पेरोव्स्काइट में बदल सकते हैं जिसमें एक क्रिस्टल संरचना और प्रकाश-अवशोषक गुण हैं जो सौर सेल के लिए अत्यधिक उपयुक्त हैं। हालांकि यह सामग्री अभी तक कारखाने के फर्श के लिए तैयार एक पूर्ण उत्पाद नहीं है, यह कार्य इस बात का एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है कि इन क्रिस्टल को कैसे बनाया जाए। यह दिखाकर कि उच्च तापमान अधिक सल्फर, बेहतर क्रिस्टल क्रम और सूर्य के प्रकाश को पकड़ने के लिए पूरी तरह से ट्यून किया गया बैंड गैप की ओर ले जाता है, यह अध्ययन अगली पीढ़ी की स्वच्छ, कुशल और सुरक्षित सौर ऊर्जा तकनीक विकसित करने के लिए एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान करता है।