Passivation in Tunnel Oxide of Doped Polysilicon Structures Degraded by Spin-Dry Induced Charges and A Strategy to Reverse the Degradation

वह अदृश्य स्टैटिक शॉक जो सौर ऊर्जा को बर्बाद कर देता है

कल्पore करें कि सूर्य एक विशाल, ब्रह्मांडीय बैटरी चार्जर की तरह है, जो पृथ्वी की ओर ऊर्जा की किरणें भेज रहा है। दशकों से, वैज्ञानिक और इंजीनियर इस ऊर्जा के लिए सबसे कुशल "पकड़ने वाले" (catchers) बनाने की कोशिश कर रहे हैं: सौर सेल। सबसे लोकप्रिय पकड़ने वाले सिलिकॉन से बने होते हैं, जो एक ऐसा पदार्थ है जो प्रचुर मात्रा में उपलब्ध है और प्रकाश को बिजली में बदलने में बेहतरीन है। लेकिन यहाँ एक पेच है: सिलिकॉन थोड़ा नखरेबाज (diva) है। यदि इसकी सतह पूरी तरह से चिकनी और साफ नहीं है, तो इसके द्वारा उत्पन्न बिजली उपयोग में आने से पहले ही नष्ट हो जाती है। एक सौर सेल की सतह को एक व्यस्त राजमार्ग की तरह समझें; यदि सड़क पर गड्ढे या ट्रैफिक जाम (दोष/defects) हैं, तो कारें (इलेक्ट्रॉन) दुर्घटनाग्रस्त हो जाती हैं और रुक जाती हैं, जिससे ऊर्जा बर्बाद होती है। इसे ठीक करने के लिए, इंजीनियर सिलिकॉन पर ऑक्साइड और अन्य सामग्रियों की एक अत्यंत पतली, अदृश्य "चादर" (blanket) चढ़ाते हैं। यह चादर एक ट्रैफिक पुलिसकर्मी की तरह काम करती है, जो सड़क को चिकना करती है और इलेक्ट्रॉन के प्रवाह को सुचारू बनाए रखती है। इस प्रक्रिया को "पैसिवेशन" (passivation) कहा जाता है, और यह उच्च-दक्षता वाले सौर पैनलों के पीछे का असली रहस्य है।

हालाँकि, इन सौर सेल बनाने में बहुत अधिक गीली सफाई शामिल होती है, जैसे कार धोना। धोने के बाद, पानी को निकलना होगा। सिलिकॉन वेफर्स को सुखाने का एक सामान्य तरीका उन्हें बहुत तेज़ी से घुमाना है, जिससे पानी वैसे ही उछलकर बाहर निकल जाए जैसे एक भीगा हुआ कुत्ता खुद को झटक कर सुखाता है। इसे "स्पिन-ड्राइंग" (spin-drying) कहा जाता है। हालांकि यह सुनने में हानिरहित लगता है, यह अध्ययन बताता है कि यह घूमने की क्रिया गुप्त रूप से सौर सेल को नुकसान पहुँचा रही है। ठीक वैसे ही जैसे गुब्बारे को अपने बालों पर रगड़ने से स्थिर बिजली (static electricity) पैदा होती है जिससे बाल खड़े हो जाते हैं, सिलिकॉन वेफर को हवा में घुमाने से इसकी सतह पर अदृश्य स्थिर आवेश (static charges) का निर्माण हो सकता है। शोधकर्ता जानना चाहते थे: क्या यह स्टैटिक शॉक उनके द्वारा अभी-अभी सिलिकॉन पर डाली गई नाजुक "ट्रैफिक पुलिस" वाली चादर को बर्बाद कर देता है?

सोलर लैब में स्टैटिक शॉक

इस अध्ययन में, रटगर्स यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह जांचने का फैसला किया कि जब स्पिन-ड्राइंग प्रक्रिया के दौरान सिलिकॉन वेफर्स को स्टैटिक शॉक लगता है, तो वास्तव में क्या होता है। उन्होंने एक विशेष ओजोन-वॉटर तकनीक का उपयोग करके सिलिकॉन ऑक्साइड की एक अविश्वसनीय रूप से पतली परत उगाने से शुरुआत की—जो केवल 1.76 नैनोमीटर मोटी थी (यह एक मानव बाल से 40,000 गुना पतली है)—यह परत पूरी तरह से एक समान थी, जैसे कांच की एक चिकनी शीट। फिर, उन्होंने यह देखने के लिए वेफर्स को दो समूहों में विभाजित किया कि वे कैसे सूखते हैं।

पहले समूह को मानक स्पिन-ड्राइंग विधि से सुखाया गया। दूसरे समूह को एक सौम्य नाइट्रोजन गैस गन का उपयोग करके सुखाया गया, जो वेफर को घुमाए बिना पानी को उड़ा देती है। परिणाम चौंकाने वाले थे। नाइट्रोजन गन से सूखे वेफर्स ने शानदार प्रदर्शन किया, जहाँ इलेक्ट्रॉन खो जाने से पहले लगभग 1,190 से 1,327 माइक्रोसेकंड तक का एक लंबा, सुखद जीवन जीते। लेकिन स्पिन-ड्राइड वेफर्स? वे एक आपदा थे। उनके इलेक्ट्रॉन लगभग तुरंत ही खत्म हो गए, और उनकी लाइफटाइम गिरकर केवल 105 से 206 माइक्रोसेकंड रह गई। "ट्रैफिक पुलिस" वाली चादर प्रभावी रूप से पंगु हो गई थी।

शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि घूमने की गति ऑक्साइड की इन्सुलेटिंग परत पर स्थिर बिजली (static electricity) पैदा कर रही थी। क्योंकि ऑक्साइड बिजली का संचालन अच्छी तरह से नहीं करता है, ये आवेश सतह पर फंस गए, जैसे स्वेटर पर स्टैटिक क्लिंग (static cling) चिपक जाता है। ये फंसे हुए आवेश पैसिवेशन परत के मूल उद्देश्य के विरुद्ध लड़ते हैं, जिससे एक अराजक वातावरण बन जाता है जहाँ इलेक्ट्रॉन टकराकर नष्ट हो जाते हैं। यह साबित करने के लिए कि यह केवल एक इत्तेफाक नहीं था, उन्होंने विभिन्न सामग्रियों का परीक्षण किया और पाया कि स्पिन-ड्राइंग प्रक्रिया ने साधारण ऑक्साइड परतों और डोप्ड पॉलिसिलिकॉन वाले जटिल स्टैक्स दोनों के प्रदर्शन को खराब कर दिया। अपराधी निश्चित रूप से स्पिन-ड्राइंग प्रक्रिया ही थी, न कि उपयोग की गई सामग्रियां।

द वॉटर डिप फिक्स (पानी में डुबोने का समाधान)

तो, सौर सेल को स्टैटिक शॉक से कैसे बचाया जाए? शोधकर्ताओं ने एक चतुर, कम तकनीकी समाधान निकाला: एक त्वरित स्नान (quick bath)। उनका अनुमान था कि यदि वे स्पिन-ड्राइड वेफर्स को स्पिन करने के तुरंत बाद डी-आयोनाइज्ड वॉटर (बिना खनिजों वाला अत्यंत शुद्ध पानी) में डुबो दें, तो पानी स्टैटिक आवेशों को धो देगा या उन्हें बेअसर कर देगा, ठीक वैसे ही जैसे एक नम कपड़ा टीवी स्क्रीन से स्टैटिक को पोंछ सकता है।

उन्होंने इस विचार का परीक्षण किया। उन्होंने वेफर्स लिए, स्टैटिक आवेश पैदा करने के लिए उन्हें स्पिन-ड्राइंग किया, और फिर नाइट्रोजन गैस से सुखाने से पहले तुरंत शुद्ध पानी में एक संक्षिप्त डुबकी दी। उन्होंने इसे "एन्हांस्ड स्पिन-ड्राइ" (enhanced spin-dry) प्रक्रिया कहा। परिणाम नाटकीय थे। "स्टैटिक शॉक" गायब हो गया था। इलेक्ट्रॉन की लाइफटाइम एक दयनीय 206 माइक्रोसेकंड से बढ़कर एक मजबूत 1,248 माइक्रोसेकंड हो गई। "ट्रैफिक पुलिस" वापस ड्यूटी पर आ गई थी, और सौर सेल प्रदर्शन के लिए तैयार थे।

टीम ने एक विशेष कैमरे का उपयोग करके सतह की भी जांच की जो सिलिकॉन से निकलने वाली चमक (फोटोल्यूमिनेसेंस) की तस्वीरें लेता है। स्पिन-ड्राइड वेफर्स काले और धुंधले दिखाई दिए, जो बहुत अधिक दोषों (defects) का संकेत देते हैं। लेकिन जिन वेफर्स को वॉटर डिप ट्रीटमेंट मिला, वे चमक रहे थे, जो दर्शाता है कि सतह साफ थी और इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से बह रहे थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस साधारण वॉटर डिप ने मानक स्पिन-ड्राइंग विधि की तुलना में सतह की गुणवत्ता में लगभग पांच गुना सुधार किया।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

यह अध्ययन हमें केवल यह नहीं बताता कि स्पिन-ड्राइंग बुरा है; यह हमें ठीक तौर पर बताता है कि क्यों और इसे कैसे ठीक किया जाए। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि स्पिनिंग के दौरान घर्षण से उत्पन्न होने वाले स्टैटिक आवेश उच्च गुणवत्ता वाले सौर सेल पैसिवेशन के दुश्मन हैं। उन्होंने इस विचार को खारिज कर दिया कि समस्या ऑक्साइड की मोटाई या उपयोग की गई सामग्रियों में थी, बल्कि यह साबित किया कि यह स्वयं सुखाने की विधि थी। एक सरल कदम पेश करके—एक त्वरित पानी की डुबकी—वे इन आवेशों को बेअसर करने और सौर सेल के प्रदर्शन को लगभग पूर्ण स्तर तक बहाल करने में सक्षम हुए।

निष्कर्ष बताते हैं कि जो लोग उन्नत सौर सेल बना रहे हैं, विशेष रूप से वे जो बहुत पतली ऑक्साइड या पॉलिसिलिकॉन की परतों का उपयोग कर रहे हैं, उनके लिए सुखाने का चरण सफाई के चरण जितना ही महत्वपूर्ण है। यदि आप स्टैटिक चार्ज को प्रबंधित किए बिना स्पिन-ड्राइंग करते हैं, तो आप अपने सौर पैनल की दक्षता का एक बड़ा हिस्सा बर्बाद कर सकते हैं। लेकिन इस सरल "वॉटर डिप" रणनीति के साथ, निर्माता अपने सौर सेल को खुश, कुशल और भविष्य को रोशन करने के लिए तैयार रख सकते हैं।