पेरोवस्काइट सौर सेल (PSCs) के बहुमुखी अनुप्रयोग हैं, जो उन्हें दैनिक जीवन के लिए एक आशाजनक उपकरण बनाते हैं। इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने सिमुलेशन के माध्यम से लचीले उपकरणों के लिए ETL-आधारित द्विमुखी पेरोवस्काइट सौर कोशिकाओं को अनुकूलित किया है। यह प्रक्रिया उपयुक्त फ्रंट ट्रांसपेरेंट इलेक्ट्रोड (FTE), होल ट्रांसपोर्ट लेयर (HTL) और रियर ट्रांसपेरेंट इलेक्ट्रोड (RTE) का चयन करके की जाती है।
लचीले उपकरणों के लिए ETL-आधारित द्विमुखीय पेरोवस्काइट सौर सेल
यह देखा गया कि पेरोव्स्काइट सेल डिवाइस की पावर रूपांतरण दक्षता (PCE) में उल्लेखनीय सुधार हुआ । यह FTE/पेरोव्स्काइट के इंटरफ़ेस पर कम कंडक्शन बैंड ऑफ़सेट (CBO) वाली कुएं जैसी संरचना के कारण संभव हुआ। हालांकि, HTL के वैलेंस बैंड में ऊपर की ओर बदलाव के साथ प्रदर्शन में कमी देखी गई।
मुख्य आकर्षण
- लचीले उपकरणों के लिए ईटीएल-मुक्त द्विमुखीय पेरोवस्काइट को अनुकूलित करना।
- पेरोव्स्काइट इंटरफेस पर न्यूनतम सीबीओ डिवाइस के प्रदर्शन को बढ़ा सकता है।
- आरटीई का बैंडगैप और इलेक्ट्रॉन बंधुता डिवाइस के प्रदर्शन को अत्यधिक प्रभावित करते हैं।
- 1.4 eV पेरोव्स्काइट अनुकूलित है।
- दोनों प्रकाश स्थितियों के लिए, डिवाइस PCE >27% दर्शाता है।
पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाओं की विद्युत रूपांतरण दक्षता (पीसीई) एक दशक में 3.8% से बढ़कर 26.1% हो गई है । इस प्रकार, कार्बनिक-अकार्बनिक धातु हैलाइड पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाओं ने हाल ही में काफी ध्यान आकर्षित किया है।
हालांकि, इलेक्ट्रॉन परिवहन परत (ETL) के उच्च सिंटरिंग तापमान के कारण लचीले PSCs का विकास बाधित है। इनवर्टेड PSCs में, शोधकर्ताओं ने मुख्य रूप से [6,6]-फेनिल-C61-ब्यूटिरिक एसिड मिथाइल एस्टर (PCBM) को ETL के रूप में उपयोग किया है ताकि उन्हें अत्यधिक कुशल बनाया जा सके। चूंकि PCBM महंगे होते हैं, इसलिए इन्हें उपकरण में शामिल करने से उपकरण की कुल लागत बढ़ जाती है।
शोधकर्ताओं ने इसके बाद ईटीएल-मुक्त पीएससी (PSC) का परीक्षण किया, जो सबसे आशाजनक और स्वीकार्य उपकरण हैं। इस दृष्टिकोण में सरल संरचना है और जटिल तैयारी की आवश्यकता नहीं होती, जिससे समय और ऊर्जा की बचत होती है।
त्वरित तथ्य : लियू एट अल. ने 13.5% की दर से पहला पीसीई विकसित किया ।
वर्तमान पीसीई कोशिकाओं की दक्षता 20-22% है, लेकिन असंतुलित चार्ज स्थानांतरण दर के कारण वे अभी भी पीछे हैं।
कारण : ईटीएल की अनुपस्थिति में स्थायी अंतर्निहित फ़ील्ड का अभाव।
विभिन्न दृष्टिकोणों पर विचार करना
शोधकर्ताओं ने कंसंट्रेटर, 2 या उससे अधिक अलग-अलग बैंडगैप वाली पीवी सामग्री और एक द्विमुखी दृष्टिकोण का उपयोग करने पर विचार किया। इन सभी का उद्देश्य डिवाइस के प्रदर्शन को बेहतर बनाना और प्रौद्योगिकी को व्यापक रूप से अपनाने को प्रोत्साहित करना है। चूंकि द्विमुखी डिजाइन सरल और सस्ता है, इसलिए यह पीछे पारदर्शी इलेक्ट्रोड जोड़कर थोड़ी अधिक लागत पर बिजली रूपांतरण दक्षता को बढ़ाता है।
पारदर्शी इलेक्ट्रोड लगाने से प्रकाश दोनों सिरों से सिस्टम में प्रवेश कर सकता है। इससे, द्वि-फलकीय सौर पैनल एक-फलकीय पैनलों की तुलना में 30% से अधिक पीसीई (PCE) प्राप्त कर सकते हैं । हालांकि, इसे निर्धारित करने वाले कई कारक हैं, जैसे कि झुकाव कोण, जमीन की सतह की परावर्तनशीलता और जमीन से ऊंचाई आदि। इसके अलावा, यदि द्वि-फलकीय और लचीली सौर सेल तकनीक के लाभों को मिला दिया जाए, तो वे कुशल और बहुमुखी सौर ऊर्जा संचयन उपकरण बन सकते हैं।
ईटीएल-मुक्त लचीले द्विचेहरे वाले पीएससी के अनुप्रयोग :
- दुकानों पर तहदार छाया
- फोल्डिंग विंडो कवर
- पाल पर
- या समुद्र तट पर एक छाता
लचीले PSCs को रोल टू रोल विधि द्वारा संसाधित करना संभव है और इसे कम लागत वाली लचीली परतों के साथ समाहित किया जा सकता है। हालाँकि लचीले द्विमुखी PSCs एक नई तकनीक है, जो अभी भी अनुसंधान और विकास के अधीन है, लेकिन उन्होंने उल्लेखनीय प्रगति की है।
एक पहल के तहत, एनआरईएल पुनर्चक्रण योग्य राल से पवन टरबाइन ब्लेड विकसित कर रहा है ।
सिमुलेशन की मदद से शोधकर्ताओं के लिए रियर ट्रांसपेरेंट इलेक्ट्रोड (RTE) के वांछित मापदंडों या गुणों को लक्ष्य बनाना आसान था। इससे उन्हें डिवाइस का इष्टतम प्रदर्शन प्राप्त करने में मदद मिलती है। वर्तमान सिमुलेशन कार्य में, शोधकर्ताओं ने निम्नलिखित आरेख के अनुसार ETL-मुक्त बाइफेसियल की नकल की है।
विभिन्न इलेक्ट्रोड, अंतराकृतिक दोष परतों और होल परिवहन परतों वाले लचीले सौर सेल का अध्ययन करते हुए, शोधकर्ताओं ने समग्र प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए बैंड संरेखण और संभावित अवरोधों की खोज की। इसके अलावा, उन्होंने पेरोव्स्काइट अवशोषक के बैंडगैप को 1.4 eV तक अनुकूलित करके विभिन्न परिस्थितियों में 27% से अधिक दक्षता प्राप्त की ।
डिवाइस की संरचना और सिमुलेशन पैरामीटर ईटीएल-आधारित पेरोव्स्काइट
- शोधकर्ताओं ने प्रस्तावित उपकरण के अनुकरण के लिए एक-आयामी सौर सेल कैपेसिटेंस सिम्युलेटर (SCAPS-1D) पैकेज का उपयोग किया।
- इसके अलावा, एक मान्य उपकरण से एक द्विमुखी उपकरण डिजाइन करने के लिए, Au को पारदर्शी इलेक्ट्रोड Cu/Cu2O मिश्रित परत से प्रतिस्थापित किया गया।
- एफटीई के रूप में कार्य करने के लिए पैसिवेटेड-एफटीओ (पीएफटीओ) का उपयोग किया गया।
परिणाम और चर्चा
फ्रंट ट्रांसपेरेंट इलेक्ट्रोड (FTE) के प्रभाव
ETL-मुक्त PSCs में, कुशल आवेश परिवहन के लिए FTE को उच्च पारदर्शिता और बेहतर बैंड संरेखण के साथ डिज़ाइन किया जाना चाहिए। शोधकर्ताओं ने ज़िरकोनियम-मिश्रित In2O3 (Zr:In2O3), ITO, एल्युमीनियम-मिश्रित ZnO (Al:ZnO), और निष्क्रिय/संशोधित FTO (PFTO) जैसे विभिन्न FTEs का उपयोग किया है। कम तापमान पर, इन इलेक्ट्रोडों को लचीले सब्सट्रेट पर जमा करना आसान था।
निम्नलिखित बैंड आरेख से यह स्पष्ट है कि FTE इंटरफ़ेस पर CBO जो 0 के करीब है, ने उच्च PCE खींचा है। ITO पर विद्युत क्षेत्र की दिशा HTL इंटरफ़ेस के विपरीत है, जो कुशल चार्ज परिवहन के लिए उपयुक्त नहीं है।
इसे FTE की ओर प्रवाहित होने वाले इलेक्ट्रॉनों के लिए संभावित अवरोध माना जाता है। पुनर्संयोजन प्रोफ़ाइल के अनुसार, कम CBO मान वाला उपकरण FTE इंटरफ़ेस पर कम पुनर्संयोजन दर्शाता है। FTE इंटरफ़ेस पर CBO में नकारात्मक परिवर्तन के साथ FTE की इलेक्ट्रॉन बंधुता में वृद्धि होती है। यह आसन्न परतों के बीच इलेक्ट्रॉन बंधुता में अंतर के कारण था।
जैसे-जैसे FTE परतों की मोटाई बढ़ती है, FTO की तरफ से रोशन होने पर डिवाइस का PCE घटता जाता है। हालाँकि, पीछे की रोशनी के लिए कोई महत्वपूर्ण बदलाव नहीं देखा गया।
KAUST ने 33.7% दक्षता और स्थिरता वाले पेरोव्स्काइट सिलिकॉन टैन्डम सौर सेल का खुलासा किया है ।
होल ट्रांसपोर्ट लेयर (HTL) का प्रभाव
इस अध्ययन के लिए, प्रदर्शन संदर्भ डिवाइस पर DM, Cul, Cu2O, और CuSCN जैसे विभिन्न HTL का उपयोग किया गया था। निम्नलिखित ऊर्जा बैंड आरेख पेरोव्स्काइट या HTL और HTL/RTE इंटरफेस पर संशोधित बैंड संरेखण दिखाता है। जब पीछे से प्रकाशित किया जाता है, तो Cul और CuSCN उपकरणों में पुनर्संयोजन समान SRH पुनर्संयोजन प्रोफ़ाइल दिखाता है। आसन्न परत के उच्च वैलेंस स्तरों के साथ प्रत्यक्ष पुनर्संयोजन की अधिक संभावनाएँ हैं।
इंटरफेसियल दोष परतों का प्रभाव
थर्मल एनीलिंग के समय, इंटरफ़ेस के दोष उजागर होते हैं। यदि इंटरफ़ेस में ऑक्सीजन रिक्ति, जाली बेमेल और स्टोइकोमेट्री संरचना की कमी हो तो ये दोष और बढ़ जाते हैं। यह अध्ययन नीचे उल्लिखित 3 प्रकार के दोषपूर्ण इंटरफ़ेस के बारे में बताता है :
- एच.टी.एल./बैक इलेक्ट्रोड: ऑक्सीजन की उपस्थिति में एच.टी.एल. के साथ बैक इलेक्ट्रोड की प्रतिक्रिया के कारण होता है।
- टीसीओ/पेरोवस्काइट: इस इंटरफेस में दोष के कारण ऑक्सीजन रिक्तता उत्पन्न होती है।
- पेरोव्स्काइट/एचटीएल: इसमें कोई भी दोष जाली बेमेल का कारण बनता है।
- 10^16 cm−3 से कम दोष घनत्व के लिए, डिवाइस का PCE समान रहता है। यह इंटरफ़ेस परत में कम पुनर्संयोजन दर को दर्शाता है।
- 10^16 cm−3 से अधिक सांद्रता पर पुनर्संयोजन दर में वृद्धि होती है, जिससे उपकरण की दक्षता कम हो जाती है।
- इसी तरह, इंटरफ़ेस दोष परत की मोटाई में वृद्धि के साथ, डिवाइस के पीसीई में एक रैखिक कमी होती है। इससे IDL क्षेत्र में पुनर्संयोजन दर में वृद्धि होती है।
यह घटना पीएफटीओ/पेरोवस्काइट इंटरफेस में पैसिवेशन या किसी अन्य उपयुक्त प्रसंस्करण विधि के माध्यम से दोष को कम करने की आवश्यकताओं का समर्थन करती है। ज़्यादातर, सतह की आकृति विज्ञान को संशोधित करने के लिए सतह पैसिवेशन को प्राथमिकता दी जाती है।
रियर ट्रांसपेरेंट इलेक्ट्रोड (RTE) का प्रभाव
यह इलेक्ट्रोड द्विफलकीय सौर कोशिकाओं (पीएससी) के समग्र प्रदर्शन को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है । द्विफलकीय सौर कोशिकाओं के प्रदर्शन को प्रभावित करने वाले दो प्रमुख कारक इलेक्ट्रॉन बंधुता और बैंडगैप हैं। एकल-फलकीय पीएससी की तुलना में द्विफलकीय पीएससी की पीसीई कम होती है, जो आरटीई को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती है। एचटीएल/आरटीई इंटरफ़ेस पर वीबीओ में ऋणात्मक से धनात्मक परिवर्तन आरटीई के बैंडगैप मान में वृद्धि के साथ देखा जाता है।
दोनों प्रकार की प्रकाश व्यवस्था में, उपकरण +0.29 eV के VBO (बैंडगैप ~2.4 eV) पर अधिकतम PCE दर्शाता है। जब HTL/RTE पर +0.13 eV के VBO के साथ दोनों प्रकार की प्रकाश व्यवस्था के लिए इलेक्ट्रॉन बंधुता 3.3 eV होती है, तो उपकरण का प्रदर्शन बेहतर होता है।
आरटीई की इलेक्ट्रॉन बंधुता में वृद्धि के साथ, एचटीएल/आरटीई के बीच वीबीओ सकारात्मक की ओर शिफ्ट हो जाता है। अध्ययन से पता चलता है कि एनएएन-आधारित डिवाइस पीछे की रोशनी के लिए उच्च पीसीई दिखाता है। यह एचटीएल/आरटीई इंटरफेस पर एनएएन-आधारित उपकरणों में नकारात्मक दिशा में कम विद्युत क्षेत्र की तीव्रता को इंगित करता है। इसके अलावा, पीसीई डिवाइस कार्य फ़ंक्शन में वृद्धि के साथ बढ़ता है और वे बड़े कार्य फ़ंक्शन के लिए संतृप्त हो जाते हैं।
एक अन्य शोध में पेरोनोवा द्वारा विकसित 28% दक्षता वाले पेरोव्स्काइट सिलिकॉन टैन्डम सौर मॉड्यूल को प्रस्तुत किया गया।
पेरोवस्काइट परत का अनुकूलन
जैसा कि ऊपर चर्चा की गई है, हमने विभिन्न FTE, HTL और RTE का उपयोग करके उपकरणों के विभिन्न संयोजनों का अनुकरण किया है। पेरोवस्काइट अवशोषक परत में वृद्धि के साथ चार्ज वाहक उत्पादन कम हो जाता है। इसके विपरीत, अवशोषक परत की अंतर्निहित क्षमता में वृद्धि के साथ VOC बढ़ता है। PCE डिवाइस 1.4 eV के अनुकूलित बैंडगैप तक बढ़ जाती है और अन्य इस प्रकार हैं:
- फ्रंट इल्यूमिनेशन पीसीई 24.65%
- रियर रोशनी पीसीई 25.48%
अवशोषक परत में पेरोवस्काइट की दोष घनत्व 8.0 × 10^14 cm−3 से घटकर 1.0 × 10^14 cm−3 हो गई। इसके परिणामस्वरूप , सामने से और पीछे से रोशनी पड़ने पर डिवाइस की पीसीई क्रमशः 26.27% और 26.45% तक बढ़ गई ।
इसके अलावा, अवशोषक परत की मोटाई को 800 एनएम तक अनुकूलित करने और फिर दोष घनत्व को 1.0 × 1014 सेमी−3 तक कम करने के बाद, उपकरण की पीसीई बढ़कर 26.88% (सामने से रोशनी) और 27.35% (पीछे से रोशनी) हो जाती है।
निष्कर्ष
इसलिए, इसके साथ शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला है कि ईटीएल-मुक्त द्विमुखी पीएससी को अनुकूलित करने के लिए सिमुलेशन पैकेज का उपयोग करना चाहिए। डिवाइस के प्रदर्शन पर विभिन्न सामग्रियों के प्रभाव का अध्ययन करके, यह देखा गया कि कुछ सामग्रियों ने अपने विशिष्ट गुणों के कारण प्रदर्शन में सुधार किया। इसके अलावा, बैंडगैप, दोष घनत्व और मोटाई पेरोव्स्काइट अवशोषक परत के महत्वपूर्ण निर्धारक हैं। इस प्रकार, पीछे और सामने दोनों रोशनी के लिए एक अनुकूलित विन्यास के साथ 27% से अधिक की बिजली रूपांतरण दक्षता हासिल की गई।
