इतालवी वैज्ञानिकों द्वारा निकेल ऑक्साइड के साथ 12.6% दक्षता वाले बड़े क्षेत्र के पीवी सौर मॉड्यूल

पेरोवस्काइट सौर सेल की दक्षता बढ़कर लगभग 26% हो गई है। हालांकि, स्पिन कोटिंग जैसी पारंपरिक विधियों के कारण बड़े पैमाने पर उत्पादन अभी भी एक चुनौती है। इस समस्या को दूर करने के लिए, रोम टोर वर्गाटा विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने ब्लेड कोटिंग प्रक्रिया को परिष्कृत करके 12.6% दक्षता वाले बड़े क्षेत्रफल के पीवी सौर मॉड्यूल बनाए हैं। इसके लिए उन्होंने परिवेशी वायु में निकेल ऑक्साइड होल ट्रांसपोर्ट लेयर और एक गैर-विषैले विलायक का उपयोग किया है।

अध्ययन का उद्देश्य – दीर्घकालिक स्थिरता और दक्षता प्रदान करने वाले बड़े पैमाने पर पीवी सेल उत्पादन में हुई प्रगति को प्रदर्शित करना।

12.6% कुशल बड़े क्षेत्र पीवी सौर मॉड्यूल

पेरोवस्काइट फिल्म की एकरूपता बढ़ाने के लिए, शोधकर्ताओं ने परतों के बीच स्व-संयोजित मोनोलेयर्स को शामिल किया। परिणामस्वरूप, 110 cm² सक्रिय क्षेत्र वाले मॉड्यूल 12.6% दक्षता प्राप्त करते हैं । इसके अलावा, उन्होंने 85°C तापमान पर हवा में 1,000 घंटे के बाद भी अपनी प्रारंभिक दक्षता का 84% बनाए रखा।

पेरोवस्काइट सौर सेल (पीएससी) के निर्माण के लिए आवेश परिवहन सामग्री के क्रम पर आधारित 2 मुख्य संरचनाओं का अनुसरण किया जाता है:

• सामान्य (निप)
• उलटा (पिन)

यहां, इनवर्टेड पीएससी बेहतर स्थिरता और कम हिस्टैरेसिस व्यवहार प्रदर्शित करते हैं। यह उन्हें संभावित व्यावसायीकरण के लिए उपयुक्त बनाता है। बड़े क्षेत्रफल वाले पीवी सौर सेल में सघन निकल ऑक्साइड के उत्पादन के लिए, विभिन्न निक्षेपण विधियों का उपयोग किया जाता है, जिन्हें प्रिंट करने योग्य और गैर-प्रिंट करने योग्य विधियों में वर्गीकृत किया गया है।

प्रिंट करने योग्य जमाव तकनीकें कई लाभ प्रदान करती हैं, इसके बावजूद छोटे पैमाने और बड़े पैमाने पर प्रिंट करने योग्य NiOx-आधारित PSCs की दक्षता में काफी अंतर है। उदाहरण के लिए, परिवेशी वायु-जमाव वाले PSCs की दक्षता छोटे पैमाने पर 20.7% और 3.7 cm² सक्रिय क्षेत्र वाले बड़े मॉड्यूल के लिए 10.34% तक गिर गई।

अध्ययन में अपनाई गई प्रक्रियाएं

शोधकर्ताओं ने स्पिन कोटिंग चरण के बिना 15 सेमी गुणा 15 सेमी सब्सट्रेट पर NiOx प्रिंट करने की एक प्रक्रिया स्थापित की। 110 सेमी2 सक्रिय क्षेत्र वाले मॉड्यूल डॉक्टर-ब्लेडिंग NiOx/MeO-2PACz/पेरोवस्काइट और थर्मल वाष्पीकरण के साथ बनाए गए थे। इसके अलावा NiOx स्याही को अनुकूलित करके और एक स्व-संयोजन मोनोलेयर जोड़कर, सबसे अच्छा मॉड्यूल लगभग 12.6% PCE प्राप्त किया।

परिणामस्वरूप, शोधकर्ताओं ने पाया कि इन मॉड्यूलों ने स्थिरता, दक्षता और प्रदर्शन के मामले में पिछले बड़े क्षेत्र वाले पी.वी. मॉड्यूलों से बेहतर प्रदर्शन किया।

परिणाम और चर्चा: NiOx फिल्म की मोटाई और एकरूपता अनुकूलन

सामान्य परिस्थितियों में NiCl2·6H2O विलयन में डॉक्टर-ब्लैडिंग विधि द्वारा ITO सबस्ट्रेट पर NiOx फिल्म जमा करने के बाद, अपघटन और ऑक्सीकरण में सहायता के लिए इन फिल्मों को 300°C पर गर्म किया गया । फिर, वायुमंडलीय ऑक्सीजन का उपयोग करके NiOx फिल्म बनाई गई।

शोधकर्ताओं ने ग्लास/आईटीओ सब्सट्रेट पर 4 सांद्रताएँ जमा कीं, जो 0.15 एम पर एक संदर्भ समाधान है, साथ ही 0.075 एम (1:1 कमजोर पड़ने), 0.050 एम (1:2 कमजोर पड़ने) और 0.037 एम (1:3 कमजोर पड़ने) भी शामिल हैं। एलिप्सोमेट्री का उपयोग करके मापी गई फिल्म की मोटाई 140 से 140 मिमी से अधिक थी।

फिल्म की मोटाई में भिन्नता गैर-समान डॉक्टर ब्लेडिंग के कारण है, जो उच्च विलायक अनुपात के साथ बेहतर हुई। हालांकि, फिल्म की मोटाई और चिपचिपाहट कमजोर पड़ने के साथ कम हो गई। इस प्रकार, पूर्ववर्ती सांद्रता के पतला होने पर मोटाई कम हो गई, जिसके परिणामस्वरूप: 42.2 एनएम (0.075 एम), 40.0 एनएम (0.05 एम), और 36.2 एनएम (0.037 एम) हो गए।

नीचे दिया गया चित्र एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) और एक्स-रे रिफ्लेक्टोमेट्री (XRR) के परिणाम दिखाता है। दोनों परीक्षणों का उपयोग NiOx ऑक्सीकरण का आकलन करने के लिए किया गया था।

• एक्सपीएस स्पेक्ट्रा से पता चलता है कि 850-860 ईवी रेंज में, 4 शिखर Ni, NiO (Ni²⁺), NiOH (Ni²⁺), और Ni2O3 (Ni³⁺) के अनुरूप हैं।
• लगभग 852.0, 853.5, 855, और 856 eV की संकेतित बंधन ऊर्जाएं गॉसियन फिट द्वारा बंधी हुई थीं। यह साहित्य मूल्यों के साथ संरेखित है।
• एक प्रमुख NiO शिखर एक अत्यधिक ऑक्सीकृत फिल्म को इंगित करता है। उन्हें PSCs में छेद परिवहन परतों जैसे अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त माना जाता है।
• 1:1 सांद्रता के साथ, यह प्रमुख बना हुआ है लेकिन Ni और Ni203 के योगदान में भी वृद्धि देखी गई। इससे यह भी पता चलता है कि ऑक्सीकरण दक्षता में कमी आई है।
• 1:2 सांद्रता और पतली फिल्मों से बेहतर ऑक्सीकरण के साथ, उच्च Ni203 अधिक Ni³⁺ दर्शाता है।
• 1:3 सांद्रता तक और अधिक पतला करने पर Ni203 में NiO की तुलना में वृद्धि दिखाई देती है। यह फिल्म की मोटाई और ऑक्सीकरण में असमानता का संकेत देता है।

कुल मिलाकर, शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रीकर्सर सांद्रता में कमी निकेल ऑक्साइड की जटिलता और उच्च ऑक्सीकरण अवस्थाओं में वृद्धि के साथ संबंधित है। हालांकि, कम प्रीकर्सर के साथ NiO का कम योगदान कम हो जाता है।

लचीले उपकरणों के लिए ईटीएल-आधारित द्विफलकीय पेरोव्स्काइट सौर सेल के बारे में अधिक जानें : एक सिमुलेशन अध्ययन

XRR माप का परिणाम

जब XRR मापों ने NiOx जमा सब्सट्रेट पर इलेक्ट्रॉन घनत्व की जांच की तो कोई कीसिग फ्रिंज नहीं देखी गई। महत्वपूर्ण कोण बिखराव की मात्रा के साथ सहसंबंधित होते हैं जो निम्नलिखित दर्शाता है:

• कम फैलाव के कारण एकरूपता
• उच्च फैलाव के कारण विषमता

कम पूर्ववर्ती सांद्रता के साथ इलेक्ट्रॉन घनत्व में ऊपर की ओर बदलाव हुआ। यह स्पष्ट रूप से इंगित करता है कि उच्च तनुता वाली सघन फिल्में एनीलिंग के दौरान बेहतर ऑक्सीकरण या संघनन के कारण संभव हैं। पतली फिल्में पीवी सौर सेल के प्रदर्शन में सुधार दिखाती हैं क्योंकि वे अभी भी उन्नत गुण प्रदर्शित करती हैं।

टिप्पणियों

• सबसे अधिक समरूप संदर्भ नमूना है और 1:2 सांद्रित NiOx जमाव है।
• 1:3 सांद्रता में कम एकरूप फिल्म देखी गई।
• इंटरफ़ेस या सतह खुरदरापन का अनुमान फ़्रेस्नेल रिफ़्लेक्टिविटी के साथ लगाया गया था। संदर्भ नमूने और 1:2 सांद्रता के लिए, यह लगभग 4.5 (5) एनएम था। यह मान सभी पैटर्न में स्थिर रहता है।
• 1:1 और 1:3 सांद्रता प्लेटों से प्राप्त नमूनों में उच्च खुरदरापन फैलाव देखा गया। 1:1 XRR प्रोफ़ाइल के लिए मान 2.5 (5) एनएम से लेकर लगभग 4.5 (5) एनएम तक है। 1:3 XRR प्रोफ़ाइल के लिए, यह लगभग 4.5 (5) एनएम से लेकर लगभग 7.0 (5) एनएम तक है।

इंटरफ़ेस इंजीनियरिंग और पेरोवस्काइट फिल्म आकृति विज्ञान

पेरोवस्काइट सौर मॉड्यूल के इस अध्ययन में पेरोवस्काइट परत के निक्षेपण पर ध्यान केंद्रित किया गया, जो गैर-विषैले विलायकों का उपयोग करके दो-चरणीय ब्लेड कोटिंग विधि पर आधारित पूर्व कार्य पर आधारित है। हमने फिल्म की गुणवत्ता में सुधार के लिए अनुकूलित मापदंडों और योजकों के माध्यम से एक डबल-कैटायन पेरोवस्काइट (Cs0.15FA0.85PbI3−xBrx) विकसित किया। दो-चरणीय निक्षेपण में DMSO में PbI2-(FAI)0.3-(CsI)0.15 का उपयोग और उसके बाद आइसोप्रोपिल अल्कोहल में FAI/FABr का उपयोग शामिल है, जिसमें चार सुखाने की विधियाँ प्रस्तावित हैं। इस अध्ययन में इन तकनीकों का परीक्षण कठोर सब्सट्रेट पर किया गया, जिससे 15 सेमी × 15 सेमी सब्सट्रेट पर उच्च-गुणवत्ता वाली फिल्में तैयार हुईं, जो विभिन्न उपकरणों और सब्सट्रेट के लिए एक सार्वभौमिक हरित पेरोवस्काइट फॉर्मूलेशन का मार्ग प्रशस्त करती हैं।

SEM छवियों के माध्यम से यह स्पष्ट हो गया कि गैर-अनुकूलित NiOx परत (0.15 M) के कारण PV फिल्म पर कुछ दोष उत्पन्न हुए थे। दोषों में पिनहोल और दृश्यमान पट्टियाँ शामिल हैं जो मुख्य रूप से असमान जमाव के कारण थे। दूसरी ओर, अनुकूलित NiOx परत (0.05 M) में कम दोष देखे गए, जैसे छोटे कण और कम पिनहोल।

अन्य अध्ययन निम्नलिखित संकेत देते हैं:

1. हालांकि, अनुकूलित परत में परिणाम पहले से बेहतर थे लेकिन पिनहोल की घटना जारी रही। यह एक बड़ी चुनौती की ओर इशारा करता है जो इससे संबंधित है NiOx फिल्म और PV प्रीकर्सर स्याही के बीच आसंजन संबंधी समस्याएं.
2. यूवी-ओजोन और प्लाज्मा पारंपरिक सतह उपचार NiOx फिल्म पर नकारात्मक प्रभाव पड़ता है। यह इंटरफ़ेस समस्याओं को और खराब कर देता है, जैसे कि अतिरिक्त Pbl2 का निर्माण। यह एक छेद निष्कर्षण अवरोध के रूप में व्यवहार कर सकता है, खुले सर्किट वोल्टेज को कम करना डिवाइस की.
3. इसके अलावा, NiO की कम चालकता पेरोवस्काइट सौर कोशिकाओं के प्रदर्शन के लिए हानिकारक हो सकता है।

इन सभी मुद्दों से बचने और उपरोक्त स्थितियों में सुधार करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एचटीएल/पेरोवस्काइट इंटरफेस पर MeO-2PACz के एक स्व-संयोजन मोनोलेयर (एसएएम) का उपयोग किया।

एक अन्य प्रयास में, शोधकर्ताओं ने पाया कि अतिस्थिर 2डी डायोन-जैकोबसन पेरोवस्काइट्स 19.11% दक्षता प्राप्त करता है ।

टिप्पणियों

• पेरोवस्काइट फिल्म की SEM छवि प्रयुक्त विधियों की प्रभावशीलता की पुष्टि करती है: SAM परत।
• पेरोवस्काइट फिल्में अत्यधिक एकसमान थीं तथा उनमें कोई पिनहोल नहीं था।
• एलिप्सोमेट्री मोटाई मानचित्र से पता चलता है कि प्राप्त औसत फिल्म मोटाई 570 मिमी थी, जो एकरूपता का भी समर्थन करती है।
• डॉक्टर ब्लेडिंग प्रक्रिया के कारण, 700 एनएम की शुरुआती मोटाई के साथ एक ढाल है। साथ ही, कोटिंग के अंत की ओर, इसमें थोड़ी कमी आती है।
• हालांकि, एसएएम परत का उपयोग करके एकरूपता हासिल की गई और आसंजन संबंधी मुद्दों को उसी के साथ संबोधित किया गया। परिणाम स्थिर और औद्योगिक-तैयार पेरोवस्काइट सौर मॉड्यूल थे।

मॉड्यूल और 12.6% कुशल बड़े क्षेत्र पीवी सौर मॉड्यूल की दीर्घकालिक स्थिरता

अंत में, इलेक्ट्रॉन ट्रांसपोर्ट लेयर (ETL) के रूप में C60/BCP के वाष्पीकरण के माध्यम से पेरोवस्काइट सौर मॉड्यूल की सफल असेंबली की गई। फिर P2 लेजर स्क्राइबिंग और उसके बाद कॉपर इलेक्ट्रोड का वाष्पीकरण किया गया। फिर प्रक्रिया P3 स्क्राइबिंग के साथ समाप्त हुई। 22 श्रृंखला-जुड़े सेल वाले PV मॉड्यूल की विशेषताएँ इस प्रकार हैं:

• दक्षता - 12.6%
• शॉर्ट-सर्किट करंट (ISC) – 98.13 mA
• भरण कारक – 63.49%
• ओपन-सर्किट वोल्टेज (VOC) – 22.3 V
• निकट-एकता हिस्टैरिसीस सूचकांक – 1.02

हालाँकि, आगे और पीछे के माप स्कैन के बीच प्रदर्शन में उल्लेखनीय स्थिरता निकट-एकता हिस्टैरिसीस सूचकांक द्वारा प्रदर्शित की जाती है। यह पेरोव्स्काइट मॉड्यूल के विश्वसनीय संचालन को उजागर करता है।

निष्कर्ष

निष्कर्ष में, यह शोध वाणिज्यिक उपयोग के लिए 12.6% कुशल बड़े क्षेत्र के पीवी सौर मॉड्यूल की मापनीयता को आगे बढ़ाता है। डॉक्टर ब्लेडिंग का उपयोग करके, NiOx HTL के साथ एक बड़े क्षेत्र का PSC मॉड्यूल बनाना संभव हो गया। अंतिम परिणाम एक गैर-विषाक्त पेरोव्स्काइट फॉर्मूलेशन था। और अंत में, स्थिरता और प्रदर्शन में सुधार के साथ PSCs भविष्य के अनुकूलन और वाणिज्यिक अनुप्रयोगों के लिए अपनी क्षमता दिखाते हैं।

स्रोत : 15 × 15 सेमी² क्षेत्रफल पर ब्लेड कोटिंग निकल ऑक्साइड जमाव को अनुकूलित करके स्थिर और टिकाऊ पेरोव्स्काइट सौर मॉड्यूल