انتہائی پتلی شمسی خلیات؟

انتہائی پتلی شمسی خلیات؟

انتہائی پتلے شمسی خلیات میں بہتری: 2D پیرووسکائٹ مرکبات میں بڑی مصنوعات کو چیلنج کرنے کے لیے موزوں مواد موجود ہے۔

رائس یونیورسٹی کے انجینئرز نے سیمی کنڈکٹر پیرووسکائٹس سے بنے جوہری پیمانے کے پتلے شمسی خلیات کو ڈیزائن کرنے میں نئے معیارات حاصل کیے ہیں، اور ماحول کو برداشت کرنے کی اپنی صلاحیت کو برقرار رکھتے ہوئے اپنی کارکردگی میں اضافہ کیا ہے۔

رائس یونیورسٹی کے جارج آر براؤن اسکول آف انجینئرنگ کی آدتیہ موہیتی لیبارٹری نے پایا کہ سورج کی روشنی دو جہتی پیرووسکائٹ میں جوہری تہوں کے درمیان کی جگہ کو سکڑتی ہے، جو کہ مواد کی فوٹو وولٹک کارکردگی کو 18 فیصد تک بڑھانے کے لیے کافی ہے، جو کہ مسلسل ترقی ہے۔ . میدان میں ایک شاندار چھلانگ حاصل کی گئی ہے اور اسے فیصد میں ماپا گیا ہے۔

"10 سالوں میں، پیرووسکائٹ کی کارکردگی تقریباً 3 فیصد سے بڑھ کر 25 فیصد سے زیادہ ہو گئی ہے،" موہیت نے کہا۔ "دیگر سیمی کنڈکٹرز کو حاصل کرنے میں تقریباً 60 سال لگیں گے۔ اس لیے ہم بہت پرجوش ہیں۔"

پیرووسکائٹ ایک مرکب ہے جس میں کیوبک جالی ہے اور یہ ایک موثر روشنی جمع کرنے والا ہے۔ ان کی صلاحیت کو کئی سالوں سے معلوم ہے، لیکن ان کے پاس ایک مسئلہ ہے: وہ سورج کی روشنی کو توانائی میں تبدیل کر سکتے ہیں، لیکن سورج کی روشنی اور نمی انہیں کم کر سکتی ہے۔

کیمیکل اور بائیو مالیکولر انجینئرنگ اور میٹریل سائنس اور نینو انجینئرنگ کے ایسوسی ایٹ پروفیسر موہیت نے کہا کہ "سولر سیل ٹیکنالوجی کے 20 سے 25 سال تک رہنے کی امید ہے۔" "ہم کئی سالوں سے کام کر رہے ہیں اور بڑے پیرووسکائٹس کا استعمال جاری رکھے ہوئے ہیں جو بہت موثر ہیں لیکن زیادہ مستحکم نہیں ہیں۔ اس کے برعکس، دو جہتی پیرووسکائٹس بہترین استحکام رکھتی ہیں لیکن چھت پر رکھنے کے لیے اتنی موثر نہیں ہیں۔

"سب سے بڑا مسئلہ استحکام سے سمجھوتہ کیے بغیر انہیں موثر بنانا ہے۔"
پرڈیو یونیورسٹی اور نارتھ ویسٹرن یونیورسٹی، یو ایس ڈیپارٹمنٹ آف انرجی نیشنل لیبارٹری کے لاس الاموس، ارگون اور بروکاوین، اور رینس، فرانس میں انسٹی ٹیوٹ آف الیکٹرانکس اینڈ ڈیجیٹل ٹیکنالوجی (INSA) کے رائس انجینئرز اور ان کے ساتھیوں نے پایا کہ کچھ دو جہتی پیرووسکائٹس، سورج کی روشنی مؤثر طریقے سے ایٹموں کے درمیان کی جگہ کو سکڑتی ہے، ان کی برقی کرنٹ لے جانے کی صلاحیت میں اضافہ کرتی ہے۔

موچٹ نے کہا، "ہم نے پایا کہ جب آپ مواد کو اگنور کرتے ہیں، تو آپ اسے سپنج کی طرح نچوڑتے ہیں اور اس سمت میں چارج کی منتقلی کو بڑھانے کے لیے تہوں کو اکٹھا کرتے ہیں۔" محققین نے پایا کہ نامیاتی کیشنز کی ایک تہہ کو اوپر پر آئیوڈائڈ اور نیچے لیڈ کے درمیان رکھنا تہوں کے درمیان تعامل کو بڑھا سکتا ہے۔

موچٹ نے کہا، "یہ کام پرجوش ریاستوں اور کواسی پارٹیکلز کے مطالعہ کے لیے بہت اہمیت کا حامل ہے، جہاں مثبت چارج کی ایک پرت دوسری پر ہے، اور منفی چارج دوسری پر ہے، اور وہ ایک دوسرے سے بات کر سکتے ہیں۔" "انہیں excitons کہا جاتا ہے، اور ان میں منفرد خصوصیات ہوسکتی ہیں.

انہوں نے کہا کہ "یہ اثر ہمیں پیچیدہ ہیٹرو سٹرکچرز جیسے اسٹیکڈ 2D ٹرانزیشن میٹل ڈیچلکوجینائیڈس بنائے بغیر ان بنیادی ہلکے مادے کے تعامل کو سمجھنے اور ایڈجسٹ کرنے کی اجازت دیتا ہے۔"

فرانس میں ساتھیوں نے کمپیوٹر ماڈل کے ساتھ تجربے کی تصدیق کی۔ جیکی ایون، INSA میں فزکس کے پروفیسر نے کہا: "یہ تحقیق جدید ترین ab initio simulation Technology، بڑے پیمانے پر قومی سنکروٹون سہولیات کا استعمال کرتے ہوئے مادی تحقیق، اور آپریشن میں شمسی خلیوں کی اندرونی خصوصیات کو یکجا کرنے کا ایک منفرد موقع فراہم کرتی ہے۔ " "یہ کاغذ پہلی بار بیان کرتا ہے کہ کس طرح سیپج کا رجحان اچانک پیرووسکائٹ مواد میں چارج کرنٹ کو جاری کرتا ہے۔"

دونوں نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ شمسی توانائی کی شدت پر سولر سمیلیٹر کے سامنے آنے کے 10 منٹ کے بعد، دو جہتی پیرووسکائٹ اپنی لمبائی کے ساتھ 0.4% اور اوپر سے نیچے تک تقریباً 1% سکڑ جاتا ہے۔ انہوں نے ثابت کیا کہ سورج کی پانچ شدتوں میں 1 منٹ کے اندر اثر دیکھا جا سکتا ہے۔

رائس کے ایک گریجویٹ طالب علم اور شریک لیڈ مصنف لی وینبن نے کہا، "یہ کچھ زیادہ نہیں لگتا، لیکن جالیوں کی جگہ کا 1٪ سکڑنا الیکٹران کے بہاؤ میں خاطر خواہ اضافے کا سبب بنے گا۔" "ہماری تحقیق سے پتہ چلتا ہے کہ مواد کی الیکٹرانک ترسیل میں تین گنا اضافہ ہوا ہے۔"

ایک ہی وقت میں، کرسٹل جالی کی نوعیت مواد کو انحطاط کے خلاف مزاحم بناتی ہے، یہاں تک کہ جب اسے 80 ڈگری سیلسیس (176 ڈگری فارن ہائیٹ) تک گرم کیا جاتا ہے۔ محققین نے یہ بھی پایا کہ لائٹس بند ہونے کے بعد جالی تیزی سے اپنی معیاری ترتیب میں واپس آ جاتی ہے۔

گریجویٹ طالب علم اور شریک سرکردہ مصنف سراج صدیق نے کہا، "2D پیرووسکائٹس کی ایک اہم کشش یہ ہے کہ ان میں عام طور پر نامیاتی ایٹم ہوتے ہیں جو نمی کی رکاوٹوں کے طور پر کام کرتے ہیں، حرارتی طور پر مستحکم ہوتے ہیں، اور آئن کی نقل مکانی کے مسائل کو حل کرتے ہیں،" گریجویٹ طالب علم اور شریک لیڈر مصنف سراج صدیق نے کہا۔ "3D پیرووسکائٹس تھرمل اور ہلکی عدم استحکام کا شکار ہیں، لہذا محققین نے بڑے پیمانے پر پیرووسکائٹس کے اوپر 2D تہوں کو یہ دیکھنے کے لیے لگانا شروع کیا کہ آیا وہ دونوں سے زیادہ سے زیادہ فائدہ اٹھا سکتے ہیں۔

"ہم سوچتے ہیں، آئیے صرف 2D پر سوئچ کریں اور اسے موثر بنائیں،" انہوں نے کہا۔

مواد کے سکڑنے کا مشاہدہ کرنے کے لیے، ٹیم نے یو ایس ڈپارٹمنٹ آف انرجی (DOE) آفس آف سائنس کی دو صارف سہولیات کا استعمال کیا: یو ایس ڈیپارٹمنٹ آف انرجی کی بروکہاون نیشنل لیبارٹری کا نیشنل سنکروٹرون لائٹ سورس II اور ایڈوانسڈ اسٹیٹ لیبارٹری۔ امریکی محکمہ توانائی کی Argonne نیشنل لیبارٹری۔ فوٹون سورس (اے پی ایس) لیبارٹری۔

Argonne کے ماہر طبیعیات Joe Strzalka، کاغذ کے شریک مصنف، APS کی انتہائی روشن ایکس رے استعمال کرتے ہیں تاکہ مواد میں چھوٹی ساختی تبدیلیوں کو حقیقی وقت میں پکڑ سکیں۔ APS بیم لائن کے 8-ID-E پر حساس آلہ "آپریشنل" اسٹڈیز کی اجازت دیتا ہے، جس کا مطلب ہے کہ اس وقت کیے جانے والے مطالعات جب آلات عام آپریٹنگ حالات میں درجہ حرارت یا ماحول میں کنٹرول شدہ تبدیلیوں سے گزرتے ہیں۔ اس معاملے میں، Strzalka اور ان کے ساتھیوں نے درجہ حرارت کو مستقل رکھتے ہوئے شمسی سیل میں موجود فوٹو حساس مواد کو مصنوعی سورج کی روشنی سے روشناس کیا اور جوہری سطح پر چھوٹے سنکچن کا مشاہدہ کیا۔

کنٹرول کے تجربے کے طور پر، Strzalka اور اس کے شریک مصنفین نے کمرے کو اندھیرا رکھا، درجہ حرارت میں اضافہ کیا، اور اس کے برعکس اثر — مواد کی توسیع کا مشاہدہ کیا۔ اس سے پتہ چلتا ہے کہ روشنی خود، نہ کہ حرارت پیدا کرتی ہے، تبدیلی کا سبب بنی۔

Strzalka نے کہا کہ "اس طرح کی تبدیلیوں کے لیے آپریشنل تحقیق کرنا ضروری ہے۔" "جس طرح آپ کا مکینک آپ کے انجن کو یہ دیکھنے کے لیے چلانا چاہتا ہے کہ اس میں کیا ہو رہا ہے، ہم بنیادی طور پر اس تبدیلی کی ویڈیو لینا چاہتے ہیں، ایک بھی سنیپ شاٹ نہیں۔ APS جیسی سہولیات ہمیں ایسا کرنے کی اجازت دیتی ہیں۔"

Strzalka نے نشاندہی کی کہ APS اپنی ایکس رے کی چمک کو 500 گنا تک بڑھانے کے لیے ایک اہم اپ گریڈ سے گزر رہا ہے۔ انہوں نے کہا کہ جب یہ مکمل ہو جائے گا تو روشن شہتیر اور تیز تر، تیز ڈٹیکٹر سائنس دانوں کی ان تبدیلیوں کا زیادہ حساسیت کے ساتھ پتہ لگانے کی صلاحیت میں اضافہ کریں گے۔

اس سے رائس ٹیم کو بہتر کارکردگی کے لیے مواد کو ایڈجسٹ کرنے میں مدد مل سکتی ہے۔ صدیق نے کہا، "ہم 20 فیصد سے زیادہ کی افادیت حاصل کرنے کے لیے کیشنز اور انٹرفیس ڈیزائن کر رہے ہیں۔" "یہ پیرووسکائٹ فیلڈ میں سب کچھ بدل دے گا کیونکہ اس کے بعد لوگ 2D پیرووسکائٹ/سلیکون اور 2D/2D پیرووسکائٹ سیریز کے لیے 3D پیرووسکائٹ استعمال کرنا شروع کر دیں گے، جس کی کارکردگی کو 30% کے قریب لایا جا سکتا ہے۔ یہ اس کی کمرشلائزیشن کو پرکشش بنائے گا۔"