दक्षता के अलावा, स्थिरता पेरोव्स्काइट पीवी और उनके व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए लंबे समय से चिंता का विषय रही है। आज तक, फोटोवोल्टिक्स के लिए ऐसी स्थिर सामग्री और उनके बारे में डेटा अपर्याप्त है और शोधकर्ता बेहतर जानकारी प्राप्त करने के लिए विभिन्न सामग्रियों की कोशिश कर रहे हैं। इस शोध अध्ययन में, फोटोवोल्टिक अनुप्रयोगों के लिए अल्ट्रास्टेबल और कुशल डायोन-जैकबसन पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाओं का परीक्षण किया जा रहा है।
टीम ने डायोन-जैकोब्सन (डीजे) पेरोव्स्काइट्स के लिए स्केलेबल तकनीक के साथ ब्लेड-कोटेड सौर सेल सफलतापूर्वक डिजाइन किए हैं, जिन्होंने विभिन्न पर्यावरणीय परिस्थितियों में लगभग 19.11% बिजली रूपांतरण दक्षता प्रदर्शित की है ।
अध्ययन का उद्देश्य – डीजे सामग्रियों में स्थिरता के प्रमुख कारकों पर व्यवस्थित शोध करना। स्थिर और कुशल स्केलेबल सौर सेल के लिए स्थिर डीजे पेरोवस्काइट डिजाइन करने हेतु दिशा-निर्देश खोजना।
अल्ट्रास्टेबल और कुशल डायोन-जेकबसन पेरोवस्काइट सौर कोशिकाओं का प्रदर्शन
2D पेरोवस्काइट्स को 3D पेरोवस्काइट्स की तुलना में उनकी वांछनीय फोटोफिजिकल और अंतर्निहित संरचनात्मक विशेषताओं के कारण अधिक प्राथमिकता दी जाती है। डायटोपिक डायमोनियम धनायनों वाला DJ-प्रकार का पेरोवस्काइट अकार्बनिक परतों के बीच संबंध को मजबूत करता है और संरचना की कठोरता को बढ़ाता है। इससे इसकी स्थिरता और भी बढ़ जाती है। रडल्सडेन-पॉपर (RP) और डायोन-जैकोब्सन (DJ) पेरोवस्काइट्स पर किए गए विभिन्न अध्ययनों से पता चलता है कि DJ पेरोवस्काइट वायुमंडलीय वातावरण में कम स्थिर होता है।
उदाहरण के लिए , 1,4-फेनिलीनडीमेथेनअमोनियम- और एम-फेनिलीनडीअमोनियम-आधारित डीजे पेरोवस्काइट्स में कुछ ही घंटों के भीतर खराब नमी स्थिरता देखी गई।
संरचनात्मक विश्लेषण के अनुसार, इन सामग्रियों में एक अद्वितीय अंतरपरत-विस्थापन क्वांटम और सुव्यवस्थित संरचना होती है , जो इन्हें अन्य डीजे पेरोवस्काइट्स से अलग करती है। इसके परिणामस्वरूप अंतरपरत के बीच की दूरी कम होती है और अंतरपरत में आवेश परिवहन और संरचनात्मक अखंडता बेहतर होती है।
अंतरपरत धनायनों के लिए, साइक्लोएल्किल कार्बनिक धनायनों का उपयोग अणुओं की विद्युतऋणात्मकता और लचीलेपन को बनाए रखता है। यह एल्किल-श्रृंखला और एरिल कार्बनिक धनायनों की तुलना में भी अधिक लाभदायक है । इस विधि से जालक तनाव प्रभावी रूप से कम हो जाता है, जिससे अंततः समग्र संरचनात्मक स्थिरता प्राप्त होती है।
मुख्य आकर्षण
- स्थिर और कुशल सौर कोशिकाओं के लिए डीजे (सीडीएमए 1, 4-साइक्लोहेक्सेनडिमेथेनामोनियम, n≥1) (एमए)एन-1पीबीएन3एन+1 की एक नई श्रृंखला का परिचय।
- इन अनकैप्सुलेटेड कोशिकाओं ने ~92% सापेक्ष आर्द्रता (RH) आयुवृद्धि परिस्थितियों में 4000 घंटों से अधिक समय तक अपनी 90% दक्षता बरकरार रखी।
- ये कोशिकाएं परिचालन और 85°C तापीय स्थिरता दर्शाती हैं।
- 5000 घंटे के उपचार के बाद कोई दक्षता नहीं खोई।
- निरंतर प्रकाश (45 mW cm-6000) के अंतर्गत 100+ घंटे तक 2° C अधिकतम पावर पॉइंट (MPPT) पर संचालन करने के बाद कोई दक्षता हानि नहीं होती।
अनुसंधान की प्रक्रिया
बड़े पैमाने पर सौर कोशिकाओं के लिए डीजे पेरोव्स्काइट्स की क्षमता को प्रदर्शित करने के लिए स्केलेबल ब्लेड कोटिंग डिपोजिशन तकनीक का उपयोग किया गया था। संदर्भ सौर कोशिकाओं ने नाममात्र n=5 PDMA डीजे पेरोव्स्काइट का उपयोग किया। ये डिवाइस स्थिरता को बढ़ाने के लिए जाने जाते हैं और इनमें समान कार्बनिक आणविक विन्यास होते हैं।
| कोशिकाओं के गुण | संदर्भ उपकरण | नाममात्र डिवाइस n = 5 सीडीएमए-आधारित पेरोवस्काइट सौर सेल |
| PCE | 14.87% तक | 19.11% तक |
| ओपन-सर्किट वोल्टेज (VOC) | 1.06 वी | 1.16 वी |
| शॉर्ट-सर्किट धारा घनत्व (जेएससी) | 18.32 एमए सेमी−2 | 20.41 एमए सेमी−2 |
| कारक भरने | 76.46% तक | 80.56% तक |
शोधकर्ताओं के अनुसार, ब्लेड कोटिंग वाले 2D पेरोवस्काइट्स के लिए उच्चतम दक्षता CDMA की PCE है । निम्नलिखित चित्र DJ सौर कोशिकाओं के करंट घनत्व-वोल्टेज (JV) वक्रों को दर्शाता है।
शोधकर्ताओं ने EQE का उपयोग करके उपकरण की शॉर्ट सर्किट करंट डेंसिटी (JSC) को मापा। PDMA उपकरण की EQE, CDMA की तुलना में कम है। दृश्य प्रकाश अवशोषण क्षेत्र में, PDMA की JSC 17.57 mA cm⁻² और CDMA की 19.58 mA cm⁻² थी । ये मान सोलर स्टिमुलेटर के अंतर्गत मापी गई JSC से मेल खाते हैं।
विभिन्न परिस्थितियों में सौर कोशिकाओं की स्थिरता
इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने गर्मी, प्रकाश तनाव और नमी के तहत इन कोशिकाओं की स्थिरता का अध्ययन किया।
हल्का तनाव
इसकी परिचालन स्थिरता की जाँच नाइट्रोजन-वायुमंडल ग्लोवबॉक्स के तहत एक नकली 1-सूर्य सफेद एलईडी (प्रकाश उत्सर्जक डायोड) के तहत एमपीपीटी ट्रैकिंग का उपयोग करके की गई। परीक्षण 45 डिग्री सेल्सियस के आसपास 6000+ घंटे तक किया गया, जिसमें कोई गिरावट नहीं देखी गई।
- समाचार एजेंसी सिन्हुआ – पी.सी.ई. में लगभग 30% की कमी आई।
- सीडीएमए - उनकी प्रारंभिक दक्षता के आसपास मामूली उतार-चढ़ाव।
गर्मी
सौर सेलों की तापीय स्थिरता की जाँच 85° सेल्सियस तापमान पर हॉटप्लेट पर की गई।
- समाचार एजेंसी सिन्हुआ - प्रारंभिक दक्षता में 50% की गिरावट।
- सीडीएमए – 5000 घंटे के बाद भी नगण्य दक्षता।
यह सीडीएमए पेरोव्स्काइट कोशिकाओं की उत्कृष्ट तापीय सहनशीलता की पुष्टि करता है।
नमी
अनकैप्सुलेटेड सौर कोशिकाओं को स्थिर तापमान आर्द्रता वाले एक कक्ष में संग्रहीत किया गया था, लगभग ~ 90 डिग्री सेल्सियस पर ~ 22% आरएच। इससे दोनों उपकरणों पर निम्नलिखित प्रभाव पड़ते हैं।
- समाचार एजेंसी सिन्हुआ – 500 घंटे की उम्र के बाद पीसीई में तेजी से कमी होकर शून्य हो जाना।
- सीडीएमए – 92 घंटे की आयु के बाद लगभग 4394% प्रारंभिक दक्षता दर्शाता है।
पुराने उपकरणों की तुलना करने पर, हम पाते हैं कि PDMA-आधारित उपकरणों की सक्रिय परत रंगहीन हो गई है, जबकि CDMA-आधारित उपकरण में कोई स्पष्ट रंग परिवर्तन नहीं दिखता है। यह पुष्टि करता है कि CDMA DJ पेरोव्स्काइट में उच्च आर्द्रता सहनशीलता है। शोधकर्ताओं के अनुसार, नीचे दी गई समेकित छवि के अनुसार, CDMA श्रृंखला 2D और 3D पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाओं के बीच सर्वश्रेष्ठ है।
सूचो विश्वविद्यालय के शोधकर्ता रणनीतिक रूप से ऑर्गेनिक सोलर सेल की दक्षता बढ़ाने पर काम कर रहे हैं ।
डिवाइस के लक्षण
डिवाइस का लक्षण वर्णन
निम्न चित्र गणना किए गए हिस्टैरिसिस कारक का सांख्यिकीय वितरण दर्शाता है। इसे PDMA और CDMA सौर कोशिकाओं के PCE से मापा गया था। यह CDMA में अपेक्षाकृत कम और स्थिर वितरित हिस्टैरिसिस को इंगित करता है जो व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए स्थिर और स्केलेबल सौर कोशिकाओं के उत्पादन में सहायक हो सकता है।
पेरोव्स्काइट फिल्मों का चरित्र चित्रण
शोधकर्ताओं ने पेरोव्स्काइट फिल्मों की आकृति विज्ञान का अध्ययन करने के लिए टॉप-व्यू स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) का उपयोग किया।
अवलोकन के अनुसार, PDMA पेरोवस्काइट फिल्मों में कणों का वितरण एकसमान था। जबकि, CDMA में कणों का आकार स्पष्ट रूप से बढ़ा हुआ था और कुछ छोटे 2D वेफर्स संबंधित कण सीमाओं को ढके हुए थे। संभवतः यह स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए इंटरफ़ेस के स्व-निष्क्रियकरण को दर्शाता है। इसके अतिरिक्त, यह ब्लेड कोटिंग के पराबैंगनी-दृश्य (UV-Vis) अवशोषण स्पेक्ट्रा और XRD माप को सक्षम करने में सहायक है।
सीडीएमए फिल्मों में अर्ध अधिकतम चौड़ाई (एफडब्ल्यूएचएम) अपेक्षाकृत कम होती है, साथ ही विवर्तन शिखरों की तीव्रता भी अधिक होती है। यह श्शेरर के समीकरण के अनुसार बेहतर क्रिस्टलीयता और बढ़े हुए कण आकारों का संकेत देता है ।
यूवी-विज़ अवशोषण स्पेक्ट्रा के अनुसार, दोनों डीजे पेरोवस्काइट फिल्मों में 2डी चरण वितरण है। हालांकि, सीडीएमए में उच्च तीव्रता है जो प्रचुर मात्रा में 2डी चरण वितरण का सुझाव देती है जो इसके लघु-तरंग अवशोषण और फिल्म स्थिरता के लिए फायदेमंद है।
ग्रेज़िंग इंसिडेंस वाइड-एंगल एक्स-रे स्कैटरिंग (GIWAXS) अवलोकन से पता चलता है कि CDMA में अपेक्षाकृत मजबूत और असतत ब्रैग स्पॉट हैं। यह इसके बेहतर क्रिस्टलीकरण को इंगित करता है जो चार्ज ट्रांसपोर्ट को लाभ पहुंचाता है।
हांगकांग विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों द्वारा किए गए एक शोध से यह निष्कर्ष निकला है कि अवतल सतहों को हटाने से पेरोवस्काइट फिल्मों की स्थिरता में सुधार होता है।
तनाव और स्थिरता का लक्षण वर्णन डीजे पेरोवस्काइट फिल्म्स
शोधकर्ताओं ने TA लक्षण वर्णन द्वारा दर्शाए गए चरण वितरण के अनुसार दोनों उपकरणों में अवशिष्ट तनाव की जांच करने के लिए 2 गहराईयों का चयन किया। सामग्री में 3D जैसी अवस्थाओं से युक्त एक सतही क्षेत्र और एक गहरे क्षेत्र में 2D पेरोवस्काइट्स की उच्च सांद्रता देखी गई। नीचे दिए गए चित्र के अनुसार, PDMA पेरोवस्काइट फिल्मों का ग्रेजिंग इंसिडेंट एक्स-रे विवर्तन (GIXRD) 310 क्रिस्टल तल के सापेक्ष था ।
Ψ (0° से 45°) में वृद्धि के साथ विवर्तन शिखर दाईं ओर स्थानांतरित हो गए । यह क्रिस्टल तल की दूरी में क्रमिक कमी और फिल्म पर संपीडन तनाव की उपस्थिति को दर्शाता है।
2D पेरोवस्काइट-समृद्ध क्षेत्रों में, PDMA फिल्मों में बाईं ओर विस्थापन के बाद Ψ मानों में वृद्धि देखी गई। परिवर्तन की प्रवृत्ति में रैखिक फिटिंग दिशा से थोड़ा विचलन था। यह 2D पेरोवस्काइट चरणों के असमान वितरण को दर्शाता है, जो उपकरण की स्थिरता और प्रदर्शन पर नकारात्मक प्रभाव डालता है। इसके विपरीत, CDMA फिल्मों में, दोनों क्षेत्रों में Ψ में वृद्धि के साथ नगण्य विस्थापन स्पष्ट था।
विलियमसन-हॉल प्लॉट के माध्यम से अवशिष्ट तनाव की गणना करने के बाद परिणाम सुसंगत थे। इससे पता चलता है कि डीजे पेरोवस्काइट लगभग अवशिष्ट तनाव मुक्त है और यह गुण इसकी स्थिरता में योगदान देता है।
एक महीने तक संग्रहित रखने के बाद, फिल्म का काला चरण पूरी तरह से परिवर्तित होकर एक व्यापक बैंडगैप चरण में विघटित हो गया। जबकि सीडीएमए फिल्मों में, 100 दिनों के भंडारण के बाद, अशुद्धता विवर्तन शिखरों के बिना उल्लेखनीय नमी स्थिरता देखी गई ।
इसके अतिरिक्त, फिल्म की सतह पर जल संपर्क कोण को मापकर फिल्मों की जल प्रतिरोधकता का परीक्षण किया गया। CDMA का जल संपर्क कोण अधिक (51°) है , जबकि PDMA का कोण कम (41°) है । यह CDMA पेरोव्स्काइट फिल्मों की उच्च जल प्रतिरोधकता को दर्शाता है। नीचे दी गई छवि में दर्शाए गए गतिशील संपर्क कोण वक्र CDMA पेरोव्स्काइट फिल्मों की उत्कृष्ट जलसंक्रमण प्रतिरोधकता की पुष्टि करते हैं।
निष्कर्ष
परिणामस्वरूप, शोधकर्ताओं ने पाया कि इंटरलेयर विस्थापन में लचीले कार्बनिक धनायनों को शामिल करने से डीजे पेरोव्स्काइट विन्यास की संरचनात्मक स्थिरता में सुधार हो सकता है। इसके आधार पर, शोधकर्ताओं ने इंटरलेयर-विस्थापन डीजे पेरोव्स्काइट्स की एक श्रृंखला तैयार की। इसके अलावा, सामग्री को ब्लेड-कोटिंग प्रक्रिया में लागू किया गया। इसके बाद उच्च दक्षता और स्थिरता हासिल की गई। इसके अलावा, उम्र बढ़ने के परीक्षणों में, डिवाइस में न्यूनतम गिरावट भी देखी गई।
कुल मिलाकर, शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला है कि नव विकसित श्रृंखला में स्थिर 2D पेरोव्स्काइट्स के निर्माण की क्षमता है, जिसका उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है।
स्रोत : अतिस्थिर और कुशल, मामूली अंतरपरत विस्थापन वाली 2डी डायोन-जैकोबसन पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाएं
