उथले दोष धीमी पुनर्संयोजन को प्रेरित करते हैं, पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाओं में उच्च दक्षता - भौतिकी विश्व

पेरोव्स्काइट्स नामक सामग्रियों से बने सौर कोशिकाओं की उल्लेखनीय उच्च दक्षता ने लगभग 20 वर्षों से वैज्ञानिकों को हैरान कर दिया है। अब, शोधकर्ता फ़ोर्सचुंगज़ेंट्रम जूलिच (FZJ) जर्मनी में कहते हैं कि उन्हें स्पष्टीकरण मिल गया है। व्यापक गतिशील रेंज में सामग्रियों के फोटोल्यूमिनेसेंस का अध्ययन करके, उन्होंने दिखाया कि पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाओं में मुक्त चार्ज वाहक (इलेक्ट्रॉन और छेद) बहुत धीरे-धीरे पुनर्संयोजित होते हैं, जिससे वाहक के जीवनकाल में वृद्धि होती है और कोशिकाओं की दक्षता में वृद्धि होती है। उनके काम से यह भी पता चला कि सामग्री में उथले दोष पुनर्संयोजन होने पर महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं - ऐसा ज्ञान जो वैज्ञानिकों को दक्षता बढ़ाने में और भी मदद कर सकता है।

सौर सेल बिजली उत्पन्न करते हैं जब सूरज की रोशनी से फोटॉन सेल सामग्री में कम-ऊर्जा वैलेंस बैंड से इलेक्ट्रॉनों को उच्च-ऊर्जा चालन बैंड में उत्तेजित करते हैं। एक बार ऐसा होने पर, इलेक्ट्रॉन और उनके द्वारा छोड़े गए सकारात्मक चार्ज वाले छेद दोनों स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं, जिससे विद्युत प्रवाह पैदा होता है। समस्या यह है कि फोटो प्रेरित इलेक्ट्रॉन और छिद्र अंततः पुनः संयोजित हो जाते हैं, और जब ऐसा होता है, तो वे वर्तमान प्रवाह में योगदान नहीं देते हैं। यह पुनर्संयोजन प्रक्रिया सौर कोशिकाओं में अक्षमता का मुख्य चालक है।

पुनर्संयोजन के लिए एक प्रमुख ट्रिगर वे दोष हैं जो विनिर्माण के दौरान सौर-सेल सामग्रियों में स्वाभाविक रूप से उत्पन्न होते हैं। शोधकर्ताओं ने पहले सोचा था कि मुख्य अपराधी वे दोष थे जो ऊर्जावान रूप से संयोजकता और चालन बैंड के बीच में स्थित होते हैं। "ऐसा इसलिए है क्योंकि ये 'गहरे दोष' उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों और उनके समकक्षों, छिद्रों के लिए समान रूप से सुलभ हैं," बताते हैं थॉमस किरचर्टज़, FZJ के एक भौतिक विज्ञानी जिन्होंने अध्ययन का नेतृत्व किया।

पेरोव्स्काइट सौर सेल अलग हैं

हालाँकि, किर्चर्ट्ज़ और सहकर्मियों ने दिखाया कि पेरोव्स्काइट्स से बने सौर कोशिकाओं में ऐसा नहीं है। इन सामग्रियों में ABX होता है₃ रासायनिक संरचना (जहां ए सीज़ियम और मिथाइलमोनियम (एमए) या फॉर्मामिडिनियम (एफए) है, बी सीसा या टिन है और एक्स क्लोरीन, ब्रोमीन या आयोडीन है), और एफजेडजे टीम ने दिखाया कि उनके लिए, उथले दोष - यानी स्थित दोष बैंड गैप के बीच में नहीं, बल्कि वैलेंस या कंडक्शन बैंड के करीब - पुनर्संयोजन में अधिक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

टीम ने यह परिणाम एक नई फोटोल्यूमिनेसेंस तकनीक की बदौलत प्राप्त किया, जो बेहतर रिज़ॉल्यूशन के साथ प्रकाश की तीव्रता की एक विस्तृत श्रृंखला को माप सकती है। यह दृष्टिकोण, अलग-अलग हद तक प्रवर्धित संकेतों को सुपरइम्पोज़ करके संभव बनाया गया है, इसका मतलब है कि वे उथले दोषों के कारण होने वाली हानि प्रक्रियाओं को गहरे दोषों के कारण होने वाली हानि प्रक्रियाओं से अलग कर सकते हैं - कुछ ऐसा जो पिछले मापों में संभव नहीं था।

“अतीत में, यह माना जाता था कि गहरे दोष (भले ही उनका घनत्व कम हो) पुनर्संयोजन पर हावी होते हैं क्योंकि हार्मोनिक ऑसिलेटर मॉडल इसकी भविष्यवाणी करता है, “किरचर्टज़ बताते हैं। "हालांकि, पेरोव्स्काइट्स इस मॉडल की अवज्ञा करने के लिए जाने जाते हैं, जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन कुछ ऊर्जावान रूप से दूर के राज्यों से जुड़ सकते हैं।"

नैनोसेकंड से लेकर 170 μs तक के समय के पैमाने पर और परिमाण के नौ से 10 आदेशों तक फैली प्रकाश तीव्रता पर अपना माप करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके नमूनों में चार्ज वाहक के अंतर क्षय समय (Cs)_0.05FA_0.73MA_0.22PBI_2.56Br_0.44 ट्रिपल-केशन पेरोव्स्काइट फिल्में) एक शक्ति कानून का पालन करती हैं। वे कहते हैं, यह इस बात का पुख्ता सबूत है कि उनके नमूने में बहुत कम गहरे दोष हैं और उथले दोष पुनर्संयोजन पर हावी हैं। "उथले दोषों की उपस्थिति की भविष्यवाणी पहले केवल सैद्धांतिक रूप से की गई थी, लेकिन यह शायद ही कभी माना गया था कि यह इस संदर्भ में इतना महत्वपूर्ण होगा," किर्चर्टज़ कहते हैं।

पेरोव्स्काइट सौर सेल स्थिरता और दक्षता के लिए नए मील के पत्थर तक पहुंचते हैं

शोधकर्ताओं को उम्मीद है कि उनका काम पेरोव्स्काइट फिल्मों और उपकरणों में पुनर्संयोजन के विश्लेषण के तरीके को बदल देगा। "हम अपने अध्ययन को यह समझाने के विचार में योगदान के रूप में देखते हैं कि मात्रात्मक डेटा प्राप्त करने के लिए कुछ माप कैसे करें जो विभिन्न मॉडलों के बीच भेदभाव कर सकते हैं," किर्चर्टज़ कहते हैं। "हम तुलनात्मक शोध से दूर जाना चाहते हैं जो कहता है: 'मेरा नया नमूना पिछले नमूनों से बेहतर है, प्रयोग ए, बी और सी देखें।' इसके बजाय, हम चाहते हैं कि डेटा विश्लेषण अधिक मात्रात्मक हो।"

आगे देखते हुए, FZJ टीम अब अपने दृष्टिकोण को दूसरे के साथ जोड़ना चाहेगी हाल ही में कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के सहकर्मियों द्वारा वर्णित किया गया है, यूके जो एकल माप से चार्ज वाहक परिवहन और पुनर्संयोजन पर जानकारी प्रदान कर सकता है। "हम यह भी पता लगाना चाहते हैं कि हम अनुमानित बिजली कानून के क्षय से पुनर्संयोजन के लिए योग्यता का एक एकल, अदिश आंकड़ा कैसे प्राप्त कर सकते हैं (उदाहरण के लिए, एक इकाई के साथ एक संख्या जो 'अच्छे से बुरे' के पैमाने के साथ अच्छी तरह से सहसंबद्ध होती है)," किरचर्टज़ बताते हैं भौतिकी की दुनिया. "यह घातीय क्षय की तुलना में कम सीधा हो सकता है लेकिन फिर भी संभव होना चाहिए।"

अध्ययन में प्रकाशित किया गया है प्रकृति सामग्री.

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• स्रोत: https://physicsworld.com/a/shallow-defects-drive-slow-recombination-high-efficiency-in-perovskite-solar-cells/