خلا میں پیرووسکائٹ پر مارٹن گرین کی ٹیم: 20% نقصان

مختصر جواب: مارٹن گرین کے گروپ کی تحقیق خلا میں پیرووسکائٹ سولر سیلز کے بارے میں ایک عام مفروضے کو نئے سرے سے پیش کرتی ہے۔ خلا میں فوٹو وولٹکس کے لیے سب سے زیادہ ذکر کی جانے والی رکاوٹ کائناتی تابکاری ہے، لیکن یہاں پیمائشیں اس کے بجائے درجہ حرارت کے چکر کی طرف اشارہ کرتی ہیں: مدار میں ایک پیرووسکائٹ سیل تقریباً 80 °C کی بلندی سے −80 °C تک جھولتا ہے، اور مادہ اس حد کو تابکاری کے ماحول کی طرح اچھی طرح برداشت نہیں کرتا۔ NOAA-21 کے سیٹلائٹ ڈیٹا نے درجہ حرارت کے تغیرات ریکارڈ کیے جن میں مختصر وقفوں میں تقریباً 6.77 °C اور 16 °C کے جھولے شامل ہیں، اور تجزیہ ان کا موازنہ تقریباً 1.89 °C اور 1.67 °C کے ریڈی ایٹو کولنگ اعداد و شمار سے کرتا ہے۔ عملی نتیجہ یہ ہے کہ پیرووسکائٹ کی خلائی ترقی کو پہلے حرارتی استحکام پر مرکوز ہونا چاہیے۔ زمینی مینوفیکچرنگ کے لیے، یہی نزاکت ہے جو پیرووسکائٹ ٹینڈم سیلز کے لیے لیمینیشن اور انکیپسولنٹ ونڈو کو سلیکون کے مقابلے زیادہ تنگ بناتی ہے۔

PV ماڈیول مینوفیکچرنگ · از جیری، Ooitech

تعارف

ایک حیران کن حقیقت: پیرووسکائٹ کے "خلائی خواب" کی سب سے بڑی رکاوٹ کائناتی تابکاری نہیں — بلکہ درجہ حرارت کا وہ اتار چڑھاؤ ہے جو ایک سیارچہ زمین کے گرد دن میں 15 بار گردش کرتے ہوئے برداشت کرتا ہے۔ تقریباً وہی اتار چڑھاؤ جو کرسٹل لائن سلکان ماڈیولز TC ٹیسٹ میں برداشت کرتے ہیں۔

کچھ دن پہلے سیارچوں کے پاور سسٹمز پر کام کرنے والے ایک دوست نے مجھ سے پوچھا: "آپ PV والے ہمیشہ کہتے رہتے ہیں کہ پیرووسکائٹ کتنا موثر ہے۔ کیا اسے چھوٹے سیارچوں پر استعمال کیا جا سکتا ہے؟ یہ ہلکا ہے، پاور ڈینسٹی زیادہ ہے۔"

میں نے کہا: "کارکردگی دیکھنے کی جلدی نہ کریں۔ کیا آپ جانتے ہیں کہ مدار میں ایک سیارچہ ایک دن میں کتنے حرارتی جھٹکے برداشت کرتا ہے؟"

اس نے کہا: "دن میں گرم اور رات میں ٹھنڈا، بس اتنا ہی تو ہے؟"

"جی ہاں، لیکن کیا آپ جانتے ہیں کہ یہ -80°C سے +80°C تک کتنی تیزی سے گرم ہوتا ہے؟"

اس نے سوچا: "ایک منٹ میں چند ڈگری؟"

"پیمائش شدہ ڈیٹا: 6.77°C فی منٹ۔ کچھ لیبز، خلائی ماحول کی نقل کرنے کے لیے، اسے سیدھا 16°C فی منٹ تک پہنچا دیتی ہیں۔"

وہ رک گیا: "کیا پیرووسکائٹ یہ برداشت کر سکتا ہے؟"

"نہیں کر سکتا۔ نیچر کے ایک بہن جریدے میں بالکل اسی پر ایک بالکل نئی تحقیق ہے۔"

یہ تحقیق (Energy & Environmental Science، DOI:10.1039/d5ee03704b) UNSW، کوریا کے KRICT، اور برطانیہ کی یونیورسٹی آف سرے کے درمیان مشترکہ ہے۔ انہوں نے حقیقی سیارچے کے ڈیٹا سے ٹیسٹ معیار متعین کیا، پھر پیرووسکائٹ کو -80°C سے +80°C کے حرارتی جھٹکے والے چیمبر میں 100 چکر لگوائے تاکہ دیکھا جا سکے کہ کیا بچتا ہے۔

آئیے اسے سادہ PV زبان میں سمجھتے ہیں۔

خلا میں حرارتی جھٹکا آپ کی سوچ سے کہیں زیادہ شدید ہے

زیرِ زمین مدار (LEO، بلندی 200-2000 کلومیٹر) میں، ایک سیارچہ زمین کے گرد دن میں تقریباً 15 بار گردش کرتا ہے۔ ہر مدار سورج کی روشنی سے زمین کے سائے اور واپس سورج کی روشنی میں جانے کے عمل سے گزرتا ہے۔

یہ عمل کتنا تیز ہے؟

شکل 2c دیکھیں: NOAA-21 سیارچے کا پیمائش شدہ ڈیٹا — سائے سے سورج کی روشنی میں جانے پر، گرمی کی شرح 6.77°C/منٹ ہے۔ سورج کی روشنی سے سائے میں جانے پر، ٹھنڈک کی شرح زیادہ نرم ہے، تقریباً 1.89°C/منٹ (کیونکہ حرارت تابکاری سے خارج ہوتی ہے، جو سست ہے)۔

یہ شرح زمینی سطح کے IEC 61215 معیار کی مطلوبہ 1.67°C/منٹ سے 4 گنا تیز ہے۔

سیارچے کی سطح کا درجہ حرارت -90°C سے +80°C تک پیمائش کیا گیا (شکل 1b)۔ ECSS (یورپی تعاون برائے خلائی معیار بندی) کی اہلیت کی حد اس سے بھی وسیع ہے: -175°C سے +125°C۔

چنانچہ اس تحقیق نے درج ذیل تیز رفتار ٹیسٹ کی شرط متعین کی (شکل 2d):

• درجہ حرارت کی حد: -80°C ↔ +80°C

• ریمپ ریٹ: 16°C/منٹ

• چکروں کی تعداد: 100

16°C/منٹ NOAA-21 کی پیمائش شدہ شرح سے 2.4 گنا ہے۔ یہ اب "نقلی" نہیں — یہ تیز رفتار عمر رسیدگی ہے، جو زیادہ سخت حالات استعمال کر کے مادے کی کمزوریوں کو فوری طور پر بے نقاب کرتی ہے۔

حرارتی جھٹکے کے تحت پیرووسکائٹ کے ساتھ کیا ہوتا ہے

انہوں نے جو مادہ استعمال کیا وہ FAPbI₃ ہے، جو دستیاب سب سے زیادہ کارکردگی والے سنگل جنکشن پیرووسکائٹ نظاموں میں سے ایک ہے (لیب کارکردگی >27%)۔ لیکن FAPbI₃ میں ایک مہلک کمزوری ہے: یہ کمرے کے درجہ حرارت پر میٹاسٹیبل ہے اور آسانی سے α فیز (سیاہ، انتہائی فعال) سے δ فیز (پیلا، غیر فعال) میں تبدیل ہو جاتا ہے۔

α فیز کو مستحکم کرنے کے لیے، عام طور پر تھوڑا سا MAPbBr₃ شامل کیا جاتا ہے۔ تحقیق نے پانچ ارتکاز جانچے: 0%، 1%، 3%، 5%، اور 7%۔

مالیکیولر ڈائنامکس سمولیشن دیکھیں (شکل 3a): FAPbI₃ کو -80°C سے 80°C تک گرم کرنے پر، جالی مستقل بڑھتا ہے، PbI₆ آکٹاہیڈرا جھکنا شروع کر دیتے ہیں، اور FA آئن کی نقل مکانی شدت اختیار کرتی ہے — ساخت "کانپ" رہی ہے۔

اب 100 حرارتی جھٹکے کے چکروں کے بعد XRD دیکھیں (شکل 3c-d):

نتیجہ: تھوڑا سا (1-5%) شامل کرنا α فیز کو مستحکم کرتا ہے، لیکن بہت زیادہ (7%) شامل کرنا PbI₂ کو رسوبی بنا دیتا ہے، جو دراصل زیادہ خراب ہے۔

اب KPFM (کیلون پروب فورس مائیکروسکوپی) سے سطحی پوٹینشل کی پیمائش دیکھیں (شکل 4):

• 1% نمونہ: حرارتی جھٹکے کے بعد، دانوں کے درمیان پوٹینشل کا فرق بڑھ جاتا ہے، جو ظاہر کرتا ہے کہ دانوں کی سرحدیں ری کمبینیشن مراکز بن جاتی ہیں

• 5% نمونہ: حرارتی جھٹکے کے بعد، پوٹینشل کی تقسیم زیادہ یکساں ہے اور نقصان کم ہے

تحقیق اسے مقدار میں ظاہر کرنے کے لیے SPV (سطحی فوٹو وولٹیج) استعمال کرتی ہے — SPV جتنا زیادہ، فوٹو جنریٹڈ کیریئرز اتنی ہی بہتر طریقے سے الگ ہوتے ہیں۔ 5% نمونے کا SPV 1% نمونے سے تقریباً 1.5 گنا زیادہ ہے۔

سیلز میں ڈھالنے کے بعد، کتنا باقی رہتا ہے

انہوں نے مکمل سیل ساخت بنائی: ITO/SnO₂/پیرووسکائٹ/PEAI/PTAA/Au، ویکیوم انکیپسولیٹڈ اور حرارتی جھٹکے والے چیمبر میں ڈالا۔

نتائج (شکل 5b):

5% نمونہ، -80°C ↔ +80°C کے 100 حرارتی جھٹکے کے چکر برداشت کرنے کے بعد، اب بھی اپنی تقریباً 80% کارکردگی برقرار رکھتا ہے۔

J-V منحنی خطوط دیکھیں (شکل 5c-d):

• 1% نمونہ: Jsc اور FF بری طرح گر جاتے ہیں

• 5% نمونہ: منحنی خط کی شکل کہیں بہتر محفوظ رہتی ہے

EQE (شکل 5e-f) اس کی تصدیق کرتا ہے: 1% نمونہ پورے بینڈ میں گرتا ہے، جبکہ 5% نمونہ صرف طویل طول موج کے علاقے (700-800nm) میں معمولی کمی دکھاتا ہے — ممکنہ طور پر انٹرفیس کے حرارتی پھیلاؤ میں عدم مطابقت کی وجہ سے۔

35 کلومیٹر بلندی پر یہ کیسی کارکردگی دکھاتا ہے

لیب ٹیسٹوں کے بعد، انہیں کچھ حقیقی چاہیے تھا۔ اٹلی کی یونیورسٹی آف پیسا کے ساتھ شراکت میں، انہوں نے سیلز کو ایک اونچائی والے غبارے کے ذریعے 35 کلومیٹر بلندی تک بھیجا (شکل 6a)۔

اس بلندی پر، فضائی دباؤ زمینی سطح کا صرف 2% ہے، ہوا کی کثافت 1.5% ہے، درجہ حرارت -40°C تک پہنچ سکتا ہے، اور سیلز کو قریبی خلا کی UV تابکاری اور AM0 سپیکٹرم کا سامنا ہوتا ہے۔

نتائج (شکل 6f):

• 1% نمونہ: بلندی بڑھنے کے ساتھ PCE آہستہ آہستہ کم ہوتا ہے

• 5% نمونہ: بلندی بڑھنے کے ساتھ PCE دراصل بڑھتا ہے

5% نمونہ زیادہ اونچائی پر بہتر کارکردگی کیوں دکھاتا ہے؟ جیسے جیسے اونچائی بڑھتی ہے، شعاع ریزی بڑھتی ہے اور Jsc لکیری طور پر بڑھنا چاہیے۔ لیکن 1% نمونے کی Jsc میں اضافے کی ڈھلوان صرف 0.00016 ہے، جبکہ 5% نمونے کی 0.00364 ہے — ایک ترتیبِ مقدار کا فرق۔

یہ ظاہر کرتا ہے کہ 1% نمونہ شدید غیر شعاعی ترکیب کا شکار ہے — فوٹو جنریٹڈ کیریئرز دانے کی حدود کے نقائص میں نگل جاتے ہیں اس سے پہلے کہ وہ ابھر بھی سکیں۔ KPFM SPV ڈیٹا نے پہلے ہی اس نتیجے کی پیش گوئی کر دی تھی۔

پیداواری لائن انجینئرز کے لیے اہم نکات

صرف کارکردگی نہ دیکھیں — دیکھیں کہ یہ کتنا برداشت کر سکتا ہے

یہ مقالہ ایک مضبوط جانچ کا فریم ورک پیش کرتا ہے: تیز رفتار عمر بڑھانے کے لیے 16°C/min تیز تھرمل شاک استعمال کریں، پھر قریب الفضا تصدیق کے لیے اونچائی والا غبارہ استعمال کریں۔

ہم سیارچے نہیں بناتے، لیکن یہ طریقہ منتقل ہو سکتا ہے — نئے مواد اور نئے عمل کا جائزہ لیتے وقت، "تناؤ کی جانچ" کے لیے تیز تر درجہ حرارت میں اضافے کی شرح استعمال کرنے پر غور کریں تاکہ انٹرفیس اور دانے کی حدود کے مسائل جلد سامنے آ جائیں۔

استحکام کے طریقے نئے مسائل لا سکتے ہیں

FAPbI₃ میں MAPbBr₃ شامل کرنا α مرحلے کو مستحکم کرتا ہے۔ لیکن بہت زیادہ (7%) شامل کرنے سے PbI₂ تہ نشین ہو جاتا ہے اور معاملہ مزید خراب ہو جاتا ہے۔

یہ وہی منطق ہے جو encapsulant فلم کے انتخاب کی ہے — کوئی عالمگیر نسخہ نہیں، صرف ایک "توازن کا نقطہ" ہے۔ انتخاب کرتے وقت، آپ صرف یہ نہیں دیکھ سکتے کہ "یہ موجود ہے یا نہیں" — آپ کو یہ دیکھنا ہوگا کہ "کتنا ہے۔"

لیبارٹری ڈیٹا اور زیادہ اونچائی کا ڈیٹا ہم آہنگ ہیں

اس مقالے کا سب سے مضبوط حصہ یہ ہے کہ KPFM سے ماپا گیا SPV فرق Jsc ڈھلوان کے فرق کی پیش گوئی کر سکتا ہے، اور طویل طول موج میں EQE کی کمی انٹرفیس کے تھرمل پھیلاؤ کی عدم مطابقت سے مطابقت رکھتی ہے۔

اچھی ناکامی کا تجزیہ آپ کو لیبارٹری کے اوزار استعمال کرتے ہوئے میدانی کارکردگی کی پیشگی پیش گوئی کرنے دیتا ہے۔

کرسٹل لائن سلکان کا استحکام اس کی سب سے بڑی خندق ہے

اس مقالے کے جانچ کے حالات دیکھیں: -80°C سے +80°C، 100 چکر، 16°C/min۔

یہ اب بھی ECSS معیار تک نہیں پہنچتا، لیکن کرسٹل لائن سلکان کے لیے یہ معمول کی بات ہے۔ -40°C سے +85°C کے TC200 (200 تھرمل چکر) ٹیسٹ میں، کرسٹل لائن سلکان ناکام ہو جاتا ہے اگر کمی 2% سے زیادہ ہو۔

پیرووسکائٹ کو کرسٹل لائن سلکان کی جگہ لینے کے لیے، کارکردگی میں برابر آنا کافی نہیں — اسے اسی جانچ کے معیارات کے تحت 25 سال زندہ رہنا ہوگا۔

تفاعلی رائے شماری

کیا آپ پیرووسکائٹ کے خلا میں جانے پر یقین رکھتے ہیں؟

اپنے خیالات تبصرے میں چھوڑیں۔

حوالہ جاتی معلومات

• عنوان: Towards space compatible perovskite solar cells: guidelines for thermal shock resilience and near space balloon testing

• سال: 2026

• DOI: 10.1039/d5ee03704b

Ooitech کا نقطہ نظر

Ooitech کا ماننا ہے: پیرووسکائٹ کا خلا تک کا سفر کارکردگی کے پیچھے بھاگنے پر منحصر نہیں، بلکہ شدید تھرمل شاک سائیکلنگ سے بچ نکلنے پر ہے — اور یہی برداشت، نہ کہ خالص کارکردگی، شمسی سیل کی اصل قدر کا پیمانہ ہے۔