અલ્ટ્રા-પાતળા સૌર કોષો?

અલ્ટ્રા-પાતળા સૌર કોષો?

અતિ-પાતળા સૌર કોષો સુધરે છે: 2D પેરોવસ્કાઈટ સંયોજનો વિશાળ ઉત્પાદનોને પડકારવા માટે યોગ્ય સામગ્રી ધરાવે છે.

રાઇસ યુનિવર્સિટીના એન્જિનિયરોએ સેમિકન્ડક્ટર પેરોવસ્કાઇટ્સથી બનેલા અણુ-સ્કેલ પાતળા સૌર કોષોને ડિઝાઇન કરવામાં નવા માપદંડો હાંસલ કર્યા છે, પર્યાવરણ સામે ટકી રહેવાની તેમની ક્ષમતા જાળવી રાખીને તેમની કાર્યક્ષમતા વધારી છે.

રાઇસ યુનિવર્સિટીની જ્યોર્જ આર બ્રાઉન સ્કૂલ ઑફ એન્જિનિયરિંગની આદિત્ય મોહિતે પ્રયોગશાળાએ શોધી કાઢ્યું છે કે સૂર્યપ્રકાશ દ્વિ-પરિમાણીય પેરોવસ્કાઇટમાં અણુ સ્તરો વચ્ચેની જગ્યાને સંકોચાય છે, જે સામગ્રીની ફોટોવોલ્ટેઇક કાર્યક્ષમતામાં 18% જેટલો વધારો કરવા માટે પૂરતી છે, જે વારંવારની પ્રગતિ છે. . ક્ષેત્રમાં એક અદ્ભુત છલાંગ હાંસલ કરવામાં આવી છે અને ટકાવારીમાં માપવામાં આવી છે.

"10 વર્ષોમાં, પેરોવસ્કાઈટની કાર્યક્ષમતા લગભગ 3% થી વધીને 25% થી વધુ થઈ ગઈ છે," મોહિતેએ કહ્યું. "અન્ય સેમિકન્ડક્ટર્સને હાંસલ કરવામાં લગભગ 60 વર્ષ લાગશે. તેથી જ અમે ખૂબ ઉત્સાહિત છીએ."

પેરોવસ્કાઇટ એ ક્યુબિક જાળી સાથેનું સંયોજન છે અને તે કાર્યક્ષમ પ્રકાશ સંગ્રાહક છે. તેમની સંભવિતતા ઘણા વર્ષોથી જાણીતી છે, પરંતુ તેમની પાસે એક સમસ્યા છે: તેઓ સૂર્યપ્રકાશને ઊર્જામાં રૂપાંતરિત કરી શકે છે, પરંતુ સૂર્યપ્રકાશ અને ભેજ તેમને અધોગતિ કરી શકે છે.

"સોલર સેલ ટેક્નોલોજી 20 થી 25 વર્ષ ચાલવાની અપેક્ષા છે," મોહિતે જણાવ્યું હતું કે, કેમિકલ અને બાયોમોલેક્યુલર એન્જિનિયરિંગ અને મટિરિયલ સાયન્સ અને નેનોએન્જિનિયરિંગના સહયોગી પ્રોફેસર. "અમે ઘણા વર્ષોથી કામ કરી રહ્યા છીએ અને મોટા પેરોવસ્કાઇટ્સનો ઉપયોગ કરવાનું ચાલુ રાખીએ છીએ જે ખૂબ અસરકારક છે પરંતુ ખૂબ સ્થિર નથી. તેનાથી વિપરીત, દ્વિ-પરિમાણીય પેરોવસ્કાઇટ્સ ઉત્તમ સ્થિરતા ધરાવે છે પરંતુ તે છત પર મૂકવા માટે પૂરતી કાર્યક્ષમ નથી.

"સ્થિરતા સાથે સમાધાન કર્યા વિના તેમને કાર્યક્ષમ બનાવવાની સૌથી મોટી સમસ્યા છે."
પરડ્યુ યુનિવર્સિટી અને નોર્થવેસ્ટર્ન યુનિવર્સિટી, યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જી નેશનલ લેબોરેટરીના લોસ એલામોસ, આર્ગોન અને બ્રુકહેવન અને રેન્સ, ફ્રાન્સમાં ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑફ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ એન્ડ ડિજિટલ ટેકનોલોજી (INSA) ના રાઇસ એન્જિનિયરો અને તેમના સહયોગીઓએ શોધી કાઢ્યું કે કેટલાક દ્વિ-પરિમાણીય પેરોવસ્કાઇટ્સ, સૂર્યપ્રકાશ અસરકારક રીતે અણુઓ વચ્ચેની જગ્યાને સંકોચાય છે, વિદ્યુત પ્રવાહ વહન કરવાની તેમની ક્ષમતામાં વધારો કરે છે.

"અમને જાણવા મળ્યું કે જ્યારે તમે સામગ્રીને સળગાવો છો, ત્યારે તમે તેને સ્પોન્જની જેમ સ્ક્વિઝ કરો છો અને તે દિશામાં ચાર્જ ટ્રાન્સફરને વધારવા માટે સ્તરોને એકસાથે ભેગા કરો છો," મોચટે કહ્યું. સંશોધકોએ શોધી કાઢ્યું કે ટોચ પર આયોડાઇડ અને તળિયે લીડ વચ્ચે કાર્બનિક કેશનનો એક સ્તર મૂકવાથી સ્તરો વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયામાં વધારો થઈ શકે છે.

"આ કાર્ય ઉત્તેજિત અવસ્થાઓ અને ક્વાસિપાર્ટિકલ્સના અભ્યાસ માટે ખૂબ મહત્વ ધરાવે છે, જ્યાં હકારાત્મક ચાર્જનો એક સ્તર બીજા પર છે, અને નકારાત્મક ચાર્જનો બીજો સ્તર છે, અને તેઓ એકબીજા સાથે વાત કરી શકે છે," મોચટે કહ્યું. "આને એક્સિટોન્સ કહેવામાં આવે છે, અને તેમની પાસે અનન્ય ગુણધર્મો હોઈ શકે છે.

"આ અસર અમને સ્ટેક્ડ 2D ટ્રાન્ઝિશન મેટલ ડિચાલ્કોજેનાઇડ્સ જેવા જટિલ હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સ બનાવ્યા વિના આ મૂળભૂત પ્રકાશ-દ્રવ્ય ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓને સમજવા અને સમાયોજિત કરવાની મંજૂરી આપે છે," તેમણે કહ્યું.

ફ્રાન્સમાં સહકર્મીઓએ કોમ્પ્યુટર મોડેલ સાથેના પ્રયોગની પુષ્ટિ કરી. જેકી ઈવન, INSA ખાતે ભૌતિકશાસ્ત્રના પ્રોફેસર, જણાવ્યું હતું કે: "આ સંશોધન સૌથી અદ્યતન એબી ઇનિટિયો સિમ્યુલેશન ટેક્નોલોજી, મોટા પાયે રાષ્ટ્રીય સિંક્રોટ્રોન સુવિધાઓનો ઉપયોગ કરીને સામગ્રી સંશોધન અને કાર્યમાં રહેલા સૌર કોષોની ઇન-સીટુ લાક્ષણિકતાને જોડવાની અનન્ય તક પૂરી પાડે છે. " "આ પેપર પ્રથમ વખત વર્ણવે છે કે કેવી રીતે સીપેજની ઘટના અચાનક પેરોવસ્કાઇટ સામગ્રીમાં ચાર્જિંગ વર્તમાનને મુક્ત કરે છે."

બંને પરિણામો દર્શાવે છે કે સૌર તીવ્રતા પર સૌર સિમ્યુલેટરના સંપર્કમાં 10 મિનિટ પછી, દ્વિ-પરિમાણીય પેરોવસ્કાઈટ તેની લંબાઈ સાથે 0.4% અને ઉપરથી નીચે સુધી લગભગ 1% સંકોચાય છે. તેઓએ સાબિત કર્યું કે સૂર્યની પાંચ તીવ્રતા હેઠળ અસર 1 મિનિટની અંદર જોઈ શકાય છે.

"તે વધુ લાગતું નથી, પરંતુ જાળીના અંતરના 1% સંકોચનથી ઇલેક્ટ્રોન પ્રવાહમાં નોંધપાત્ર વધારો થશે," લી વેનબિને જણાવ્યું હતું, રાઇસના સ્નાતક વિદ્યાર્થી અને સહ-મુખ્ય લેખક. "અમારું સંશોધન દર્શાવે છે કે સામગ્રીનું ઇલેક્ટ્રોનિક વહન ત્રણ ગણું વધ્યું છે."

તે જ સમયે, સ્ફટિક જાળીની પ્રકૃતિ 80 ડિગ્રી સેલ્સિયસ (176 ડિગ્રી ફેરનહીટ) સુધી ગરમ થાય ત્યારે પણ સામગ્રીને અધોગતિ માટે પ્રતિરોધક બનાવે છે. સંશોધકોએ એ પણ શોધી કાઢ્યું કે એકવાર લાઇટ બંધ થઈ જાય પછી જાળી ઝડપથી તેના માનક ગોઠવણીમાં પાછા ફરી જાય છે.

ગ્રેજ્યુએટ વિદ્યાર્થી અને સહ-મુખ્ય લેખક સિરાજ સિધિકે જણાવ્યું હતું કે, "2D પેરોવસ્કાઇટ્સનું એક મુખ્ય આકર્ષણ એ છે કે તેમાં સામાન્ય રીતે કાર્બનિક પરમાણુ હોય છે જે ભેજ અવરોધ તરીકે કામ કરે છે, થર્મલી સ્થિર હોય છે અને આયન સ્થળાંતર સમસ્યાઓ હલ કરે છે." "3D પેરોવસ્કાઇટ્સ થર્મલ અને લાઇટ અસ્થિરતા માટે સંવેદનશીલ હોય છે, તેથી સંશોધકોએ 2D સ્તરો વિશાળ પેરોવસ્કાઇટ્સની ટોચ પર મૂકવાનું શરૂ કર્યું તે જોવા માટે કે શું તેઓ બંનેમાંથી મહત્તમ ઉપયોગ કરી શકે છે.

"અમને લાગે છે કે, ચાલો ફક્ત 2D પર સ્વિચ કરીએ અને તેને કાર્યક્ષમ બનાવીએ," તેમણે કહ્યું.

સામગ્રીના સંકોચનનું અવલોકન કરવા માટે, ટીમે યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઑફ એનર્જી (DOE) ઑફિસ ઑફ સાયન્સની બે વપરાશકર્તા સુવિધાઓનો ઉપયોગ કર્યો: યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઑફ એનર્જીની બ્રુકહેવન નેશનલ લેબોરેટરીનો નેશનલ સિંક્રોટ્રોન લાઇટ સોર્સ II અને એડવાન્સ્ડ સ્ટેટ લેબોરેટરી. યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જીની આર્ગોન નેશનલ લેબોરેટરી. ફોટોન સોર્સ (APS) લેબોરેટરી.

પેપરના સહ-લેખક, આર્ગોન ભૌતિકશાસ્ત્રી જો સ્ટ્રઝાલ્કા, રીઅલ-ટાઇમમાં સામગ્રીમાં નાના માળખાકીય ફેરફારોને કેપ્ચર કરવા માટે APS ના અલ્ટ્રા-બ્રાઇટ એક્સ-રેનો ઉપયોગ કરે છે. APS બીમલાઇનના 8-ID-E પરનું સંવેદનશીલ સાધન "ઓપરેશનલ" અભ્યાસ માટે પરવાનગી આપે છે, જેનો અર્થ થાય છે કે જ્યારે સાધનસામગ્રી સામાન્ય ઓપરેટિંગ પરિસ્થિતિઓમાં તાપમાન અથવા પર્યાવરણમાં નિયંત્રિત ફેરફારોમાંથી પસાર થાય છે ત્યારે કરવામાં આવેલ અભ્યાસ. આ કિસ્સામાં, સ્ટ્રઝાલ્કા અને તેના સાથીઓએ તાપમાનને સ્થિર રાખીને સૌર કોષમાં પ્રકાશસંવેદનશીલ સામગ્રીને અનુકરણિત સૂર્યપ્રકાશમાં ઉજાગર કરી અને અણુ સ્તરે નાના સંકોચનનું અવલોકન કર્યું.

નિયંત્રણ પ્રયોગ તરીકે, સ્ટ્રઝાલ્કા અને તેના સહ-લેખકોએ ઓરડામાં અંધારું રાખ્યું, તાપમાન વધાર્યું અને વિપરીત અસર - સામગ્રીના વિસ્તરણનું અવલોકન કર્યું. આ સૂચવે છે કે પ્રકાશ પોતે જ, જે ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે તેના કારણે પરિવર્તન થયું.

"આવા ફેરફારો માટે, ઓપરેશનલ સંશોધન કરવું મહત્વપૂર્ણ છે," સ્ટ્રઝાલ્કાએ કહ્યું. "જેમ કે તમારો મિકેનિક તમારા એન્જિનને ચલાવવા માંગે છે કે તેમાં શું ચાલી રહ્યું છે, અમે આવશ્યકપણે આ રૂપાંતરણનો વીડિયો લેવા માંગીએ છીએ, એક પણ સ્નેપશોટ નહીં. APS જેવી સુવિધાઓ અમને આ કરવાની મંજૂરી આપે છે."

સ્ટ્રઝાલ્કાએ ધ્યાન દોર્યું કે APS તેના એક્સ-રેની તેજને 500 ગણી વધારવા માટે નોંધપાત્ર સુધારામાંથી પસાર થઈ રહ્યું છે. તેમણે કહ્યું કે જ્યારે તે પૂર્ણ થશે, ત્યારે તેજસ્વી બીમ અને ઝડપી, તીક્ષ્ણ ડિટેક્ટર આ ફેરફારોને વધુ સંવેદનશીલતા સાથે શોધવાની વૈજ્ઞાનિકોની ક્ષમતામાં વધારો કરશે.

આનાથી રાઇસ ટીમને વધુ સારી કામગીરી માટે સામગ્રીને સમાયોજિત કરવામાં મદદ મળી શકે છે. "અમે 20% થી વધુ કાર્યક્ષમતા હાંસલ કરવા માટે કેશન અને ઇન્ટરફેસ ડિઝાઇન કરી રહ્યા છીએ," સિધિકે કહ્યું. "આનાથી પેરોવસ્કાઈટ ક્ષેત્રની દરેક વસ્તુ બદલાઈ જશે કારણ કે તે પછી લોકો 2D પેરોવસ્કાઈટ/સિલિકોન અને 2D/2D પેરોવસ્કાઈટ શ્રેણી માટે 3D પેરોવસ્કાઈટનો ઉપયોગ કરવાનું શરૂ કરશે, જે કાર્યક્ષમતાને 30% ની નજીક લાવી શકે છે. આ તેનું વ્યાપારીકરણ આકર્ષક બનાવશે."