এই নথিটি সায়েন্স পত্রিকায় ইউ, হামেলেন, উডল এবং হিজার কর্তৃক প্রকাশিত ১৯৯৫ সালের মৌলিক গবেষণাপত্র "পলিমার ফটোভোলটাইক কোষ - অভ্যন্তরীণ দাতা-গ্রহীতা হেটেরোজাংশনের একটি নেটওয়ার্কের মাধ্যমে উন্নত দক্ষতা" বিশ্লেষণ করে। এই কাজটি জৈব ফটোভোলটাইক্স (ওপিভি)-এর একটি মৌলিক যুগান্তকারী আবিষ্কারকে উপস্থাপন করে, যা দেখায় যে একটি অর্ধপরিবাহী পলিমার (দাতা) ফুলারিন (C60) গ্রহীতার সাথে মিশ্রিত করে শক্তি রূপান্তর দক্ষতা বিশুদ্ধ পলিমার দিয়ে তৈরি যন্ত্রের তুলনায় দুই অর্ডারেরও বেশি বৃদ্ধি করা যেতে পারে।
মূল উদ্ভাবন ছিল একটি বাল্ক কম্পোজিট ফিল্মের অভ্যন্তরে অভ্যন্তরীণ হেটেরোজাংশনের একটি "দ্বি-অবিচ্ছিন্ন নেটওয়ার্ক" তৈরি করা, যা দক্ষ চার্জ পৃথকীকরণ ও সংগ্রহণ সম্ভব করে তোলে—এটি এমন একটি ধারণা যা আধুনিক বাল্ক হেটেরোজাংশন (বিএইচজে) সৌর কোষের নকশার রূপরেখা হয়ে ওঠে।
এই গবেষণাটি একটি ইলেকট্রন-দানকারী উপাদান (ডি) থেকে একটি ইলেকট্রন-গ্রহণকারী উপাদানে (এ) আলো-প্ররোচিত ইলেকট্রন স্থানান্তরের নীতিকে কাজে লাগায়। ফোটন শোষণের পর, দাতাতে একটি এক্সাইটন (বন্ধনযুক্ত ইলেকট্রন-হোল জোড়) উৎপন্ন হয়। যদি এই এক্সাইটন তার জীবনকালের মধ্যে একটি ডি-এ ইন্টারফেসে পৌঁছায়, তাহলে ইলেকট্রনটি নিম্ন-শক্তির গ্রহীতা এলইউএমও স্তরে দ্রুত স্থানান্তরিত হতে পারে, কার্যকরভাবে চার্জগুলিকে পৃথক করে।
একটি সাধারণ দ্রবণ থেকে এই উপাদানগুলিকে মিশ্রিত করে ফিল্ম তৈরি করা হয়েছিল, যা একটি পর্যায়-বিভাজিত যৌগিকের দিকে পরিচালিত করে।
ফটোভোলটাইক যন্ত্রগুলির একটি সরল কাঠামো ছিল: একটি যৌগিক সক্রিয় স্তর (MEH-PPV:C60 মিশ্রণ) দুটি ইলেক্ট্রোডের মধ্যে স্যান্ডউইচ করা হয়েছিল। সাধারণত, একটি স্বচ্ছ ইন্ডিয়াম টিন অক্সাইড (আইটিও) অ্যানোড এবং একটি ধাতব ক্যাথোড (যেমন, Al, Ca/Al) ব্যবহৃত হত। সর্বোত্তম আন্তঃপ্রবেশকারী নেটওয়ার্ক গঠনের জন্য মিশ্রণের অনুপাত এবং ফিল্ম প্রক্রিয়াকরণের শর্তগুলি গুরুত্বপূর্ণ ছিল।
~২৯%
প্রতি ফোটনে ইলেকট্রন
~২.৯%
সিমুলেটেড সৌর আলোকিত অবস্থায়
> ১০০x
বনাম বিশুদ্ধ MEH-PPV যন্ত্র
গবেষণাপত্রটি দুটি মূল মাপকাঠি রিপোর্ট করে:
চার্ট/চিত্রের বিবরণ (পাঠ্যের উপর ভিত্তি করে): গবেষণাপত্রের একটি গুরুত্বপূর্ণ চার্ট সম্ভবত MEH-PPV মিশ্রণে C60-এর ঘনত্বের বিপরীতে $\eta_e$ বা ফটোকারেন্ট প্লট করবে। তথ্যটি দেখাবে যে মাত্র ১% C60 যোগ করেও একটি নাটকীয় বৃদ্ধি—অর্ডার অফ ম্যাগনিটিউডে—এর পরে একটি সর্বোত্তম মিশ্রণ অনুপাতে (সম্ভবত ওজন অনুসারে ১:১ এবং ১:৪ এর মধ্যে) একটি শিখর। এই সর্বোত্তম বিন্দুর পরেও, বিঘ্নিত চার্জ পরিবহন পথের কারণে দক্ষতা হ্রাস পাবে। আরেকটি মূল চিত্র প্রস্তাবিত "দ্বি-অবিচ্ছিন্ন নেটওয়ার্ক" গঠনকাঠামো চিত্রিত করবে, যা দাতা (পলিমার) এবং গ্রহীতা (ফুলারিন) এর আন্তঃপ্রবেশকারী ডোমেনগুলিকে ~১০-২০ ন্যানোমিটার স্কেলে দেখাবে, যা এক্সাইটন বিচ্ছুরণ দৈর্ঘ্যের সাথে মিলে যায়।
ফলাফলগুলি প্রমাণ করে যে চার্জ পৃথকীকরণের কোয়ান্টাম দক্ষতা একতার কাছাকাছি পৌঁছেছিল, কারণ সাব-পিকোসেকেন্ড ইলেকট্রন স্থানান্তর এক্সাইটন ক্ষয় পথগুলিকে অতিক্রম করেছিল।
মৌলিক প্রক্রিয়াটি হল আল্ট্রাফাস্ট আলো-প্ররোচিত ইলেকট্রন স্থানান্তর। আলো শোষণের পর, MEH-PPV একটি এক্সাইটন তৈরি করে। যদি এই এক্সাইটন একটি ডি-এ ইন্টারফেসে পৌঁছায়, তাহলে ইলেকট্রনটি C60-এর এলইউএমও স্তরে স্থানান্তরিত হয়, যা শক্তিতে প্রায় ০.৫-১.০ eV নিম্নতর। এই প্রক্রিয়াটি, <১ ps-এ সংঘটিত, মার্কাস ইলেকট্রন স্থানান্তর তত্ত্ব দ্বারা বর্ণিত। চার্জ-বিভাজিত অবস্থা (MEH-PPV⁺/C60⁻) মেটাস্টেবল, যা দ্রুত পুনর্মিলন প্রতিরোধ করে।
বিপ্লবী দিকটি ছিল একটি বিলেয়ার হেটেরোজাংশন (একটি একক সমতল ডি-এ ইন্টারফেস সহ) থেকে একটি বাল্ক হেটেরোজাংশনে স্থানান্তর। মিশ্রণটি ফিল্ম গঠনের সময় স্বতঃস্ফূর্তভাবে পর্যায়-বিভাজিত হয়, দাতা এবং গ্রহীতা পর্যায়গুলির একটি ত্রিমাত্রিক, আন্তঃপ্রবেশকারী নেটওয়ার্ক তৈরি করে। এটি বাল্কের মধ্যে ডি-এ ইন্টারফেসিয়াল এলাকা সর্বাধিক করে তোলে, নিশ্চিত করে যে আলো-উৎপন্ন এক্সাইটনগুলি কখনই একটি ইন্টারফেস থেকে একটি বিচ্ছুরণ দৈর্ঘ্য (~১০ nm) এর বেশি দূরে থাকে না, যার ফলে অগোছালো জৈব অর্ধপরিবাহীতে স্বল্প এক্সাইটন বিচ্ছুরণ দৈর্ঘ্যের সমালোচনামূলক সমস্যার সমাধান হয়।
একটি বিএইচজে কোষের দক্ষতাকে ধারণাগতভাবে নিম্নলিখিত গুণফল ব্যবহার করে ভেঙে দেখা যেতে পারে:
$$\eta_{e} = \eta_{A} \times \eta_{ED} \times \eta_{CT} \times \eta_{CC} \times \eta_{V}$$
যেখানে:
$\eta_{A}$ = ফোটন শোষণ দক্ষতা।
$\eta_{ED}$ = একটি ডি-এ ইন্টারফেসে এক্সাইটন বিচ্ছুরণ দক্ষতা।
$\eta_{CT}$ = ইন্টারফেসে চার্জ স্থানান্তর দক্ষতা (~১ এই ব্যবস্থায়)।
$\eta_{CC}$ = ইলেক্ট্রোডে চার্জ সংগ্রহণ দক্ষতা।
$\eta_{V}$ = ভোল্টেজ ফ্যাক্টর (শক্তি স্তরের অফসেটের সাথে সম্পর্কিত)।
বিএইচজে স্থাপত্য সরাসরি $\eta_{ED}$ কে সর্বব্যাপী ইন্টারফেস প্রদান করে অপ্টিমাইজ করে এবং $\eta_{CC}$ কে ছিদ্র (দাতার মাধ্যমে) এবং ইলেকট্রন (গ্রহীতার মাধ্যমে) এর জন্য তাদের সংশ্লিষ্ট ইলেক্ট্রোডে অবিচ্ছিন্ন পথ প্রদান করে উন্নত করে।
ইউ ও সহযোগীরা কেবল একটি উপাদান টুইক করেননি; তারা জৈব ফটোভোলটাইক্সের জন্য স্থাপত্যিক দৃষ্টান্ত পুনঃসংজ্ঞায়িত করেছেন। একটি সমতল ইন্টারফেস থেকে একটি ত্রিমাত্রিক, ন্যানোস্কেল আন্তঃপ্রবেশকারী নেটওয়ার্কে স্থানান্তর ছিল একটি মাস্টারস্ট্রোক যা সরাসরি জৈব অর্ধপরিবাহীর মৌলিক বাধা আক্রমণ করেছিল: নগণ্য এক্সাইটন বিচ্ছুরণ দৈর্ঘ্য। এটি সেই "আহা" মুহূর্ত ছিল যা ক্ষেত্রটিকে একাডেমিক কৌতূহল থেকে একটি কার্যকরী প্রকৌশল চ্যালেঞ্জে স্থানান্তরিত করেছিল।
গবেষণাপত্রের যুক্তি অখণ্ডনীয়: ১) সমস্যা চিহ্নিত করুন (বিশুদ্ধ পলিমারে দ্রুত পুনর্মিলন)। ২) একটি আণবিক সমাধান প্রস্তাব করুন (C60-এ আলো-প্ররোচিত ইলেকট্রন স্থানান্তর, পূর্ববর্তী কাজে প্রমাণিত)। ৩) সিস্টেম-লেভেল সমস্যা চিহ্নিত করুন (বিলেয়ারে সীমিত ইন্টারফেস)। ৪) একটি উপাদান-স্তরের সমাধান প্রকৌশল করুন (মিশ্রিত বাল্ক হেটেরোজাংশন)। ৫) অর্ডার-অফ-ম্যাগনিটিউড দক্ষতা বৃদ্ধি দিয়ে বৈধতা দিন। এটি অনুবাদমূলক গবেষণার একটি আদর্শ উদাহরণ, যা মৌলিক ফটোফিজিক্স থেকে যন্ত্র প্রকৌশলে সেতুবন্ধন করে।
শক্তি: বিএইচজে-এর ধারণাগত স্বচ্ছতা এর সর্বশ্রেষ্ঠ শক্তি। ২.৯% দক্ষতা, যদিও আজকের মানদণ্ডে কম (ওপিভির জন্য ~১৮%), একটি ভূমিকম্পীয় পরিবর্তন ছিল যা ধারণার সম্ভাবনা প্রমাণ করেছিল। C60-এর পছন্দ ছিল অনুপ্রেরণাদায়ক, এর উৎকৃষ্ট ইলেকট্রন-গ্রহণকারী বৈশিষ্ট্য দেওয়া, পরবর্তীতে PCBM ([৬,৬]-ফিনাইল C61 বিউটাইরিক অ্যাসিড মিথাইল এস্টার), একই গবেষণা দলের একটি দ্রবণীয় C60 ডেরিভেটিভের ব্যাপক গ্রহণের মাধ্যমে বৈধতা পায়।
ত্রুটি ও প্রসঙ্গ: ২০২৪ সালের দৃষ্টিকোণ থেকে দেখলে, গবেষণাপত্রের সীমাবদ্ধতাগুলি স্পষ্ট। এতে বিস্তারিত গঠনকাঠামোগত বৈশিষ্ট্যায়ন (এএফএম, টিইএম) এর অভাব রয়েছে যা পরে মান হয়ে উঠেছিল। এই প্রাথমিক যন্ত্রগুলির স্থায়িত্ব সম্ভবত ভয়াবহ ছিল—বাণিজ্যিকীকরণের জন্য একটি সমালোচনামূলক ত্রুটি যা সমাধান করা হয়নি। দক্ষতা, যদিও যুগান্তকারী, তখনও প্রয়োগের জন্য প্রয়োজনীয় বিবেচনা করা ~১০% থ্রেশহোল্ড থেকে অনেক দূরে ছিল। এনআরইএল রেকর্ড দক্ষতা চার্টে উল্লিখিত হিসাবে, এই গবেষণাপত্রের পরেও ওপিভিগুলিকে ধারাবাহিকভাবে ১০% অতিক্রম করতে প্রায় ১৫ বছর সময় লেগেছিল, যা এই মৌলিক অন্তর্দৃষ্টির পরে অনুসরণ করা অপ্টিমাইজেশনের দীর্ঘ, কঠিন পথকে তুলে ধরে।
আধুনিক গবেষক এবং কোম্পানিগুলির জন্য: গঠনকাঠামোই রাজা। এই গবেষণাপত্রের উত্তরাধিকার হল মিশ্রণের ন্যানোস্কেল পর্যায় বিভাজন নিয়ন্ত্রণে নিরলক ফোকাস। আজকের শীর্ষস্থানীয় ওপিভিগুলি ইউ ও সহযোগীদের প্রথমে কল্পনা করা বিএইচজে নেটওয়ার্ককে নিখুঁত করতে পরিশীলিত দ্রাবক অ্যাডিটিভ, তাপীয় অ্যানিলিং এবং নতুন গ্রহীতা (যেমন ITIC নন-ফুলারিন) ব্যবহার করে। পাঠটি হল যে একটি উজ্জ্বল যন্ত্র ধারণাকে অবশ্যই উৎকৃষ্ট উপাদান প্রক্রিয়াকরণ নিয়ন্ত্রণের সাথে যুক্ত করতে হবে। তদুপরি, স্থায়িত্ব নিয়ে ক্ষেত্রের পরবর্তী সংগ্রাম জোর দেয় যে দক্ষতা একা একটি মরীচিকা; অপারেশনাল জীবনকাল হল বাণিজ্যিক কার্যকারিতার আসল মাপকাঠি। পরবর্তী-প্রজন্মের পিভিতে কাজ করা যেকোনো দলকে প্রথম দিন থেকেই স্থায়িত্বের জন্য ডিজাইন করতে হবে, এই অগ্রগামী কাজের পরে বেদনাদায়কভাবে শেখা একটি পাঠ।
একটি নতুন পিভি উপাদান/স্থাপত্য মূল্যায়নের কাঠামো:
এই গবেষণাপত্রটি অন্তর্নিহিতভাবে একটি কাঠামো প্রতিষ্ঠা করে যা আজও নতুন পিভি ধারণা মূল্যায়ন করতে ব্যবহৃত হয়:
ধারণাগত কোড উদাহরণ (বিএইচজে দক্ষতা সিমুলেশনের জন্য সিউডোকোড):
// বিএইচজে-তে এক্সাইটনের ভাগ্যের সরলীকৃত মন্টে কার্লো সিমুলেশনের জন্য সিউডো-কোড
initialize_3D_grid(blend_ratio, domain_size, exciton_diffusion_length)
generate_morphology() // দাতা/গ্রহীতা পর্যায় তৈরি করে
for each absorbed_photon:
exciton = create_exciton_at_random_location(donor_phase)
for step in range(max_diffusion_steps):
exciton.random_walk()
if exciton.position at donor_acceptor_interface:
if electron_transfer_probability() > random():
charge_separated_state = True
break // সফল চার্জ পৃথকীকরণ
if exciton.lifetime_exceeded():
exciton.recombines() // ক্ষয় পথ
break
if charge_separated_state:
// ইলেক্ট্রোডে চার্জ পরিবহন সিমুলেট করুন
if find_percolation_path_to_electrode(hole, donor_network) and
find_percolation_path_to_electrode(electron, acceptor_network):
collected_carriers += 1
calculated_efficiency = collected_carriers / total_photonsএখানে উদ্ভাবিত বিএইচজে ধারণাটি তার প্রাথমিক প্রসঙ্গকে অনেক দূর অতিক্রম করেছে। বর্তমান এবং ভবিষ্যতের দিকনির্দেশনাগুলির মধ্যে রয়েছে: