تعارف

آل پیرووسکائٹ ٹینڈم سولر ماڈیولز کو ان کی اعلی کارکردگی اور کم لاگت کی صلاحیت کی وجہ سے اگلی نسل کی فوٹو وولٹک ٹیکنالوجی کے لیے ایک مضبوط امیدوار سمجھا جاتا ہے۔ تاہم، بڑے رقبے پر کمرشلائزیشن شدید طور پر رک گئی ہے۔ جہاں چھوٹے رقبے کے آلات پہلے ہی 30% کارکردگی کو عبور کر چکے ہیں، وہیں بڑے رقبے کے ماڈیولز (≥20 cm²) طویل عرصے سے 24.5% کے ارد گرد پھنسے ہوئے ہیں۔ اس کی بنیادی وجوہات روایتی گولڈ بیسڈ ٹنل ری کمبینیشن جنکشنز (TRJs) میں Au/PEDOT:PSS ڈھانچے کی مضبوط قریب اورکت پیراسائٹک جذب اور انٹرفیشل تھرمل عدم استحکام ہیں، نیز بلیڈ کوٹنگ کے دوران غیر یکساں کرسٹلائزیشن کی وجہ سے بڑے رقبے کی Pb-Sn پیرووسکائٹ فلموں میں چارج ٹرانسپورٹ کا انحطاط۔

یہ مطالعہ سطحی انجینئرڈ In₂O₃ نانوکرسٹلز پر مبنی ایک حل پراسیس شدہ TRJ تیار کرتا ہے۔ نانوکرسٹل مورفولوجی اور سطحی کیمسٹری کو ٹیون کرکے، ٹیم نے اعلی آپٹیکل شفافیت، ہموار انٹرفیسز، اور مثالی انرجی لیول الائنمنٹ حاصل کی۔ اسی وقت، Pb-Sn پیرووسکائٹ پیشگی میں فاسفونک ایسڈ قسم کے اضافی اجزاء متعارف کرائے گئے تاکہ In₂O₃ ری کمبینیشن پرت کے ساتھ الیکٹرانک رابطہ بہتر ہو، ہول نکالنے میں اضافہ ہو، اور بڑے رقبے کی فلموں میں بقایا تناؤ کو دور کرنے کے لیے کرسٹلائزیشن کائینیٹکس کو ٹیون کیا جا سکے۔ یہ مشترکہ حکمت عملی بیک وقت جنکشن پر کیریئر ری کمبینیشن کی کارکردگی، چارج نکالنے، اور بڑے رقبے کی فلم کی یکسانیت کو بڑھاتی ہے، بالآخر 65 cm² کے یپرچر ایریا پر JET سے تصدیق شدہ 26.2% کارکردگی فراہم کرتی ہے (VOC = 2.182 V, FF = 77.4%, JSC = 15.6 mA cm⁻²) — آل پیرووسکائٹ ٹینڈم فوٹو وولٹکس کو بڑے پیمانے پر لے جانے کی راہ پر ایک اہم سنگ میل۔

نئے TRJ کا ڈیزائن اور فوائد

یہ کام ایک حل پر مبنی متبادل تجویز کرتا ہے: ایک نیا TRJ (قسم III) جو سطحی انجینئرڈ انڈیم آکسائیڈ نینو کرسٹلز (In₂O₃ NCs) سے تیار کیا گیا ہے۔ اس کا منظم طریقے سے روایتی Au/PEDOT:PSS قسم I کی ساخت اور تجارتی ITO نینو کرسٹلز پر مبنی قسم II کی ساخت سے موازنہ کیا گیا ہے۔

ساخت اور انٹرفیس کی خصوصیات

خود ساختہ In₂O₃ NCs کا ذرہ سائز تجارتی ITO NCs سے بہت چھوٹا ہے، جو ایک ہموار دفن شدہ انٹرفیس بناتا ہے اور رابطہ نقص کی کثافت کو مؤثر طریقے سے کم کرتا ہے۔ برقی ٹیسٹ ظاہر کرتے ہیں کہ قسم III کی ساخت مثالی اوہمک رابطہ رویہ دکھاتی ہے جس میں چارج ٹرانسپورٹ میں کوئی رکاوٹ نہیں ہے۔

آپٹیکل اور تھرمل استحکام

آپٹیکل خصوصیات سے پتہ چلتا ہے کہ قسم I میں PEDOT:PSS شدید طفیلی جذب نقصان کا سبب بنتا ہے، جبکہ In₂O₃ NC فلم انتہائی شفاف ہے۔ 85°C پر تیز رفتار تھرمل ایجنگ کے تحت، قسم I ماڈیول کی کارکردگی 50 گھنٹوں میں اپنی ابتدائی قدر سے نصف سے بھی کم ہوگئی، جبکہ NC پر مبنی قسم II اور قسم III نے 200 گھنٹوں کے بعد بھی ابتدائی کارکردگی کا تقریباً 75% برقرار رکھا۔ 10×10 cm² سبسٹریٹ پر، بلیڈ کوٹڈ NC فلموں نے پتلی تھرمل طور پر بخارات بنی ہوئی Au فلموں کے مقابلے میں کہیں زیادہ یکساں آپٹیکل جذب دکھایا، جو بڑے پیمانے پر مینوفیکچرنگ میں حل پر مبنی نینو کرسٹلز کے موروثی فائدے کو مکمل طور پر ظاہر کرتا ہے۔

بڑے رقبے کی پیرووسکائٹ فلم کی تیاری کو بہتر بنانا

TRJ کے آپٹیکل نقصان اور عدم استحکام کے حل کے بعد، بڑے رقبے کی Pb-Sn پیرووسکائٹ فلموں کی یکساں تیاری اگلی تکنیکی رکاوٹ بن گئی۔ روایتی DMF/DMSO سالوینٹ سسٹمز میں ابلتے پوائنٹ زیادہ اور اتار چڑھاؤ کم ہوتا ہے، لہٰذا تیز رفتار بلیڈ کوٹنگ کے دوران ان کی نیوکلیشن کائینیٹکس پیچھے رہ جاتی ہے، جس سے بڑے سبسٹریٹس پر یکساں فلمیں بنانا مشکل ہو جاتا ہے۔

اس مسئلے کو حل کرنے کے لیے، ٹیم نے 2-methoxyethanol (2-Me) اور tetrahydrofuran (THF) پر مبنی ایک بائنری سالوینٹ سسٹم تیار کیا۔ اس کے کم ابلتے پوائنٹ اور زیادہ بخارات کے دباؤ کی وجہ سے، یہ نظام تیزی سے اہم سپر سیچوریشن تک پہنچتا ہے اور نیوکلیشن کو نمایاں طور پر تیز کرتا ہے۔ اسے استعمال کرتے ہوئے، Pb-Sn پیرووسکائٹ بلیڈ کوٹنگ کی رفتار روایتی DMF سسٹم میں 5 mm/s سے بڑھا کر 30 mm/s تک کر دی گئی، جس سے 10×10 cm² اور اس سے بڑے سبسٹریٹس پر انتہائی یکساں فوٹو لومینیسینس (PL) شدت اور بہترین ڈیوائس مستقل مزاجی حاصل ہوئی۔ اس نے بڑے رقبے کی کوٹنگ کے کرسٹلائزیشن کائینیٹکس چیلنج کو کامیابی سے حل کیا اور 65 cm² کے یپرچر ایریا پر 17.5% کی ابتدائی کارکردگی کی توثیق حاصل کی۔

سطحی لیگنڈ انجینئرنگ اور انرجی لیول میچنگ

PEDOT:PSS کو ہٹانے کے بعد، آپٹیکل نقصانات کم ہوئے، لیکن اوپن سرکٹ وولٹیج (VOC) اور فل فیکٹر (FF) میں کمی آئی، جس کی وجہ پیرووسکائٹ اور NC پرت کے درمیان بڑھتی ہوئی انٹرفیشل ٹرانسپورٹ رکاوٹیں اور غیر تابکاری ری کمبینیشن بتائی گئی۔ اس مسئلے سے نمٹنے کے لیے، مطالعہ نے ایک دوہری ہم آہنگی اصلاحی حکمت عملی نافذ کی:

سطحی لیگنڈ انجینئرنگ برائے توانائی کی سطحوں کو ٹیون کرنا

لیگنڈ ایکسچینج کے ذریعے، MMES اور MMPA کو In₂O₃ NCs کی سطح کو تبدیل کرنے کے لیے استعمال کیا گیا۔ UV فوٹو الیکٹران سپیکٹروسکوپی (UPS) نے دکھایا کہ MMPA سے تبدیل شدہ In₂O₃ NCs ہدف پیرووسکائٹ فلم کے ساتھ سازگار انٹرفیشل بینڈ موڑنے (تقریباً 50 meV کا اوپر کی طرف موڑ) حاصل کرتے ہیں، جو سوراخ نکالنے کو نمایاں طور پر فروغ دیتے ہیں، جبکہ OAm یا MMES تبدیلی نے نیچے کی طرف موڑ اور ایک ٹرانسپورٹ رکاوٹ پیدا کی۔ اسپیس چارج لمیٹڈ کرنٹ (SCLC) ٹیسٹوں نے خود نقل و حرکت پر کسی بھی لیگنڈ مداخلت کو مسترد کر دیا، اس بات کی تصدیق کرتے ہوئے کہ کارکردگی کا فائدہ بنیادی طور پر توانائی کی سطح کی بہتر صف بندی سے حاصل ہوتا ہے۔

فاسفونک ایسڈ ہول سلیکٹیو میٹریل (HSM) کے ساتھ بلک ڈوپنگ

ٹیم نے فاسفونک ایسڈ HSMs جیسے MeO-2PACz کو براہ راست Pb-Sn پیرووسکائٹ پیشگی میں شامل کیا (0.2 mol% پر بہتر کیا گیا) بجائے اس کے کہ انہیں انٹرفیس میں ترمیم تک محدود رکھا جائے۔ یہ بلک ڈوپنگ حکمت عملی بڑے علاقوں پر SAM کی غیر مساوی کوریج کے مسئلے سے بچتی ہے۔ UPS نے دکھایا کہ HSM ڈوپنگ کے بعد پیرووسکائٹ ورک فنکشن 5.04 eV سے 4.81 eV پر منتقل ہو گیا، ویلینس بینڈ میکسیمم اوپر چلا گیا، اور n-type کردار کمزور ہو گیا، جو In₂O₃ NCs کی توانائی کی سطحوں سے بہتر طور پر مماثل ہے۔ اس کے نتیجے میں HTL سے پاک سنگل جنکشن Pb-Sn سیل 23% کارکردگی تک پہنچ گیا، جبکہ In₂O₃-MMPA NCs کو ہول ٹرانسپورٹ پرت (HTL) کے طور پر استعمال کرتے ہوئے بلیڈ کوٹیڈ ڈیوائس نے 24.0% ریورس اسکین کارکردگی حاصل کی جس میں JSC 33.8 mA cm⁻² تک تھا۔

پیرووسکائٹ فلم پر HSM کے متعدد کردار

HSM کا کردار چارج ٹرانسپورٹ سے کہیں آگے ہے — یہ فلم کی کرسٹلائزیشن اور ڈیفیکٹ پاسیویشن کو گہرائی سے متاثر کرتا ہے:

کرسٹلائزیشن کنٹرول اور ڈیفیکٹ دباو

اسکیننگ الیکٹران مائیکروسکوپی (SEM) نے دکھایا کہ HSM ڈوپنگ کے بعد Pb-Sn فلم میں اناج کی حدود کو عبور کرنے والی ڈینڈریٹک نجاست غائب ہو گئی، اناج کا سائز نمایاں طور پر بڑھ گیا، اور اناج کی حدود نے ایک 'فیوزڈ' شکل اختیار کر لی۔ GIWAXS اور XRD نے تصدیق کی کہ HSM نے PbI₂ نجاست مرحلے کی تشکیل کو مؤثر طریقے سے دبایا۔ مائع حالت ¹H NMR نے مزید انکشاف کیا کہ HSM، ترجیحی ڈیپروٹونیشن کے ذریعے، مفت تیزابی فاسفونک گروپس کو استعمال کرتا ہے، اس طرح FA⁺ کیشنز کے تیزابی ڈیپروٹونیشن کو روکتا ہے اور پیشگی کیمسٹری کو مستحکم کرتا ہے۔

بہتر کیریئر ڈائنامکس

عارضی جذب سپیکٹروسکوپی (TAS) نے دکھایا کہ HSM ڈوپنگ کے بعد نقص سے مدد یافتہ غیر ریڈی ایٹیو ری کمبینیشن نمایاں طور پر دب گئی۔ مستحکم حالت PL کی شدت میں تیزی سے اضافہ ہوا، اوسط PL لائف ٹائم 1042 ns سے بڑھ کر 1889 ns ہو گیا، خاص طور پر نیچے کے انٹرفیس پر مضبوط پاسیویشن، جس نے دفن شدہ انٹرفیس پر چارج ٹریپنگ کو مؤثر طریقے سے کم کیا۔ OPTP سپیکٹروسکوپی نے دکھایا کہ ٹارگٹ فلم کی کیریئر موبلٹی 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ سے بڑھ کر 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ ہو گئی اور ڈفیوژن لمبائی 2.65 μm سے بڑھ کر 4.78 μm ہو گئی، جس سے بلک فلم کے معیار میں مجموعی بہتری کی تصدیق ہوئی۔

بڑے رقبے والے ماڈیول کی کارکردگی اور استحکام

ان ہم آہنگ حکمت عملیوں پر استوار کرتے ہوئے، ٹیم نے 65 cm² یپرچر ایریا (سیریز میں 14 ذیلی خلیات) کے ساتھ ایک آل پیرووسکائٹ ٹینڈم ماڈیول تیار کیا۔ Type III (In₂O₃-MMPA) TRJ استعمال کرنے والے چیمپئن ماڈیول نے 26.6% لیب ٹیسٹ شدہ کارکردگی (ریورس اسکین) حاصل کی، جس میں VOC 30.4 V، JSC 1.12 mA cm⁻²، اور FF 78.2% تھا۔ اس کی JET سے تصدیق شدہ مستحکم کارکردگی 26.2% تک پہنچ گئی، جو روایتی Type I TRJ (24.8%) استعمال کرنے والے کنٹرول ماڈیول سے واضح طور پر بہتر تھی۔ ڈیڈ زون آپٹیمائزیشن کے بعد، جیومیٹرک فل فیکٹر 96.5% تک پہنچ گیا، جس سے فعال ایریا کی کارکردگی 27.6% تک بلند ہو گئی۔ EQE مقامی میپنگ نے دکھایا کہ 16 مختلف پوزیشنوں پر، اوپر اور نیچے کے ذیلی خلیات کی مربوط کرنٹ کثافت بالترتیب اوسطاً 16.3 اور 16.2 mA cm⁻² تھی — جو J-V نتائج سے قریباً مماثل تھی اور دونوں نے پہلے رپورٹ کردہ ذیلی 15 mA cm⁻² ماڈیول رکاوٹ کو توڑ دیا۔

قابل اعتماد کے لحاظ سے، IEC 61215:2021 معیار کے مطابق، انکیپسلیٹڈ Type III ماڈیول مسلسل 1-سن MPP ٹریکنگ کے تحت 771 گھنٹے کی T90 لائف ٹائم (ابتدائی کارکردگی کا 90% برقرار رکھنا) تک پہنچ گیا، اور 1000 گھنٹے کے بعد بھی 82.5% کارکردگی برقرار رکھی۔ سخت 85°C/85% RH ڈیمپ ہیٹ ٹیسٹ (ISOS-D-3) میں، Type III ماڈیول اوسطاً 1000 گھنٹے کی T84 لائف ٹائم تک پہنچ گیا، جبکہ Type I ماڈیول کی کارکردگی پہلے ہی 40% سے نیچے گر گئی تھی؛ -40°C سے 85°C تھرمل سائیکلنگ ٹیسٹ (ISOS-T-3) میں، Type III ماڈیول نے 200 سائیکلوں کے بعد ابتدائی کارکردگی کا 93% برقرار رکھا۔ تمام تیز رفتار عمر رسیدہ تجربات نے تصدیق کی کہ Type III کی شاندار استحکام PEDOT:PSS کی وجہ سے پیدا ہونے والے عدم استحکام کے عوامل کو مکمل طور پر ختم کرنے سے حاصل ہوا۔

سطحی انجینئرڈ In₂O₃ نینو کرسٹل ری کمبینیشن جنکشنز اور ہم آہنگ بلک/انٹرفیس HSM انجینئرنگ کے ذریعے، اس کام نے 65 cm² کے یپرچر ایریا پر 26.2% تصدیق شدہ کارکردگی والا آل پیرووسکائٹ ٹینڈم سولر ماڈیول کامیابی سے حاصل کیا، جس سے ماڈیول کے سائز، کارکردگی اور آپریشنل استحکام میں جامع پیش رفت ہوئی۔ یہ کام آل پیرووسکائٹ ٹینڈم فوٹو وولٹک ٹیکنالوجی کی تجارتی صلاحیت کو مضبوطی سے ظاہر کرتا ہے۔ آگے دیکھتے ہوئے، ماڈیول کے رقبے کو 800 cm² سے آگے بڑھانے کے لیے ڈیپوزیشن کے عمل جیسے سلاٹ ڈائی کوٹنگ اور ویکیوم اسسٹڈ کرسٹلائزیشن جیسے طریقوں کے ہم آہنگ اصلاح کی ضرورت ہوگی، تاکہ بڑے رقبے والے وسیع اور تنگ بینڈ گیپ ذیلی خلیوں کی اعلیٰ معیار اور یکساں تیاری کو یقینی بنایا جا سکے۔

حوالہ اور جانچ کا سامان

ایک جامع پیرووسکائٹ MPPT ٹیسٹر جو A+AA+ گریڈ کے LED سولر سمیلیٹر کو ایجنگ سورس کے طور پر استعمال کرتا ہے، جدید ٹیکنالوجی اور ملٹی فنکشنل ڈیزائن کے ذریعے پیرووسکائٹ سولر سیل ریسرچ کو مضبوط مدد فراہم کرتا ہے۔ اس طرح کے آلات بنیادی طور پر تیار شدہ پیرووسکائٹ سنگل جنکشن اور ٹینڈم خلیوں کے استحکام کی جانچ کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ چونکہ پیرووسکائٹ خلیوں کی آؤٹ پٹ خصوصیات روشنی اور درجہ حرارت جیسے ماحولیاتی عوامل سے آسانی سے متاثر ہوتی ہیں، اس لیے زیادہ سے زیادہ پاور پوائنٹ بار بار تبدیل ہوتا ہے۔ ایک MPPT کنٹرولر حقیقی وقت میں زیادہ سے زیادہ پاور پوائنٹ کو ٹریک اور لاک کرتا ہے، اس بات کو یقینی بناتا ہے کہ نظام ہمیشہ بہترین پاور آؤٹ پٹ پر کام کرے۔

حوالہ: نینو کرسٹل ٹیلرڈ ری کمبینیشن برائے آل پیرووسکائٹ ٹینڈم سولر ماڈیولز

Ooitech کا نقطہ نظر

Ooitech کا خیال ہے: سطحی انجینئرڈ In₂O₃ نینو کرسٹل ری کمبینیشن جنکشنز HSM بلک/انٹرفیس انجینئرنگ کے ساتھ مل کر بڑے رقبے والے آل پیرووسکائٹ ٹینڈم ماڈیولز کو 26.2% تصدیق شدہ کارکردگی تک لے گئے ہیں، اس ٹیکنالوجی کو تجارتی بنانے کے ایک فیصلہ کن قدم قریب لاتے ہوئے۔