पेरोव्स्काइट सौर सेल में पिनहोल दोषों के कारण दक्षता परिवर्तन का विश्लेषण

1. परिचय

पेरोव्स्काइट सौर सेल अपनी दक्षता में तेजी से वृद्धि (अब 20% से अधिक) के कारण एक अग्रणी फोटोवोल्टिक तकनीक बन गए हैं। हालांकि, उनके व्यावसायीकरण में एक प्रमुख बाधा विभिन्न प्रयोगशालाओं में निर्मित उपकरणों के बीच प्रदर्शन में महत्वपूर्ण अंतर है। एक प्रमुख संदिग्ध कारक पेरोव्स्काइट फिल्म जमाव प्रक्रिया के दौरान खराब आकृति विज्ञान नियंत्रण है, जो गैर-आदर्श सतह कवरेज और पिनहोल के निर्माण की ओर ले जाता है। ये दोष इलेक्ट्रॉन परिवहन परत और होल परिवहन परत के बीच प्रत्यक्ष संपर्क बिंदु बनाते हैं, जो पुनर्संयोजन केंद्र बन सकते हैं और फोटॉन अवशोषण को कम कर सकते हैं। यह पेरोव्स्काइट सौर सेल में पिनहोल आकार वितरण और शुद्ध सतह कवरेज के प्रमुख प्रदर्शन मापदंडों - शॉर्ट-सर्किट करंट डेंसिटी ($J_{SC}$) और ओपन-सर्किट वोल्टेज ($V_{OC}$) - पर प्रभाव को मात्रात्मक रूप से निर्धारित करने के लिए विस्तृत संख्यात्मक सिमुलेशन और विश्लेषणात्मक मॉडल का उपयोग करता है।

2. मॉडल प्रणाली

इस अध्ययन में एक मानक n-i-p प्रकार के पेरोव्स्काइट सौर सेल संरचना का अनुकरण किया गया है। इसकी मुख्य नवीनता मॉडल में पेरोव्स्काइट परत के भीतर "रिक्तियों" या पिनहोल (जो खराब सतह कवरेज वाले क्षेत्रों का प्रतिनिधित्व करते हैं, जिन्हें कवरेज कारक $s$ द्वारा दर्शाया गया है) को स्पष्ट रूप से शामिल करना है। अनुकरण के लिए प्रयुक्त यूनिट सेल में पेरोव्स्काइट क्षेत्र का एक खंड और एक सटे हुए रिक्ति क्षेत्र शामिल है, जिसकी चौड़ाई पिनहोल आकार से संबंधित है। यह मॉडल दो प्रमुख हानि तंत्रों पर विचार करता है: (1) पेरोव्स्काइट सामग्री की अनुपस्थिति के कारण प्रकाश अवशोषण में कमी; (2) रिक्ति के भीतर उजागर ETL/HTL इंटरफेस पर वाहक पुनर्संयोजन में वृद्धि।

3. मुख्य अंतर्दृष्टि और तार्किक संरचना

मुख्य अंतर्दृष्टि: सभी पिनहोल को खत्म करने पर उद्योग का ध्यान अतिरंजित हो सकता है। यह कार्य एक महत्वपूर्ण और प्रतिज्ञानातीत खोज प्रस्तुत करता है: पेरोव्स्काइट सौर सेल का ओपन-सर्किट वोल्टेज ($V_{OC}$) पिनहोल के प्रतिस्थलाकृति(इसका आकार वितरण) महत्वपूर्ण रोबस्टनेस प्रदर्शित करता है, जबकि लापता सामग्री की शुद्ध मात्रा पर अधिक ध्यान दिया जाता है।शुद्ध मात्रा(सतह कवरेज, $s$)। यह $J_{SC}$ और $V_{OC}$ के अनुकूलन पथों को डिकपल करता है।

तार्किक संरचना: विश्लेषण मूलभूत सिद्धांतों से शुरू होता है। सबसे पहले, एक यूनिट सेल को परिभाषित किया जाता है जिसमें पेरोव्स्काइट क्षेत्र और रिक्तियाँ शामिल होती हैं, और फोटोजेनरेटेड वाहकों के उत्पादन और परिवहन का मॉडल तैयार किया जाता है। एक महत्वपूर्ण कदम नुकसान को अलग करना है: रिक्तियों में ऑप्टिकल नुकसान सीधे $J_{SC}$ को प्रभावित करता है, जबकि ETL/HTL इंटरफेस पर पुनर्संयोजन नुकसान $J_{SC}$ और $V_{OC}$ दोनों को प्रभावित करता है। सिमुलेशन ने रिक्ति चौड़ाई (पिनहोल आकार) और इंटरफेस पुनर्संयोजन दर जैसे मापदंडों को स्कैन किया। एक सुंदर परिणाम यह है: यदि इंटरफेस पुनर्संयोजन नियंत्रित है, तो क्वासी-फर्मी स्तर विभाजन द्वारा निर्धारित $V_{OC}$ स्थिर रहेगा, चाहे रिक्ति एक बड़ा पिनहोल हो या कुल क्षेत्रफल समान कई छोटे पिनहोल हों। एकीकृत धारा के रूप में $J_{SC}$, अवशोषण क्षेत्र के नुकसान से सीधे प्रभावित होता है और इसलिए इन रिक्तियों के स्थानिक वितरण के प्रति संवेदनशील है।

4. लाभ और सीमाएँ

लाभ:

• पैराडाइम शिफ्ट का निष्कर्ष: यह वर्तमान "किसी भी कीमत पर पिनहोल को खत्म करने" की प्रचलित मान्यता को चुनौती देता है और दोष सहनशीलता के लिए एक अधिक सूक्ष्म दृष्टिकोण प्रदान करता है।
• पद्धति मजबूत है: इसमें संख्यात्मक सिमुलेशन और सहायक विश्लेषणात्मक मॉडल का संयोजन है, जो गहराई और अवधारणात्मक स्पष्टता दोनों प्रदान करता है।
• व्यावहारिक मूल्य: प्रस्तावित I-V विशेषता-आधारित सतह कवरेज निदान पद्धति, अनुसंधान एवं विनिर्माण प्रक्रिया में एक संभावित मूल्यवान, कम लागत वाली प्रक्रिया निगरानी उपकरण है।
• संभावनात्मकता: "इंटरफ़ेस इंजीनियरिंग" को एक पूरक या यहाँ तक कि विकल्प रणनीति के रूप में पूर्ण आकृति नियंत्रण के लिए द्वार खोलती है।

कमियाँ और सीमाएँ:

• ज्यामितीय मॉडल अत्यधिक सरलीकृत है: वास्तविक स्पिन-कोटेड फिल्मों में देखे गए जटिल, अनियमित पिनहोल नेटवर्क की तुलना में, नियमित रिक्तियों वाला एक-आयामी/द्वि-आयामी यूनिट सेल मॉडल एक महत्वपूर्ण सरलीकरण है (नियंत्रित CycleGAN-शैली छवि रूपांतरण और वास्तविक-विश्व के शोर डेटा के बीच के अंतर के समान)।
• सामग्री-स्वतंत्रता: मॉडल ने सामान्य अर्धचालक मापदंडों का उपयोग किया। यह उन विशिष्ट रसायन-निर्भर क्षरण मार्गों को नहीं पकड़ता है जिन्हें पिनहोल बढ़ा सकते हैं, जैसे कि नमी का प्रवेश या आयन प्रवास, जो पेरोव्स्काइट स्थिरता के लिए महत्वपूर्ण हैं।
• प्रायोगिक सत्यापन का अभाव: यह अध्ययन पूर्णतः कम्प्यूटेशनल है। यद्यपि तर्क संगत हैं, पूर्ण विश्वसनीयता के लिए मात्रात्मक पिनहोल वितरण वाले नियंत्रित प्रयोगात्मक डेटासेट के साथ सहसंबंध आवश्यक है।

5. क्रियान्वयन योग्य अंतर्दृष्टि

शोधकर्ताओं और इंजीनियरों के लिए, यह पत्र रणनीतिक समायोजन का सुझाव देता है:

1. चरित्र-चित्रण प्राथमिकताओं को पुनः निर्धारित करें: केवल SEM छवियों से पिनहोल्स की गिनती न करें; मात्रा निर्धारित करने के लिए प्रस्तावित I-V विधि या समान विद्युत नैदानिक तकनीकों का उपयोग करेंप्रभावी इलेक्ट्रॉनिक सतह कवरेज。
2. द्वि-ट्रैक समानांतर अनुकूलन: दो पहलुओं पर समानांतर रूप से कार्य करें: (a) $J_{SC}$ बढ़ाने के लिए सतह आकृति में सुधार; (b) $V_{OC}$ की सुरक्षा के लिए अति-निम्न पुनर्संयोजन संपर्क (ETL/HTL) डिजाइन करें, और अपरिहार्य सतह आकृति दोषों के लिए एक बफर प्रदान करें। Oxford PV या King Abdullah University of Science and Technology जैसे संस्थानों में रिकॉर्ड दक्षता वाली कोशिकाओं में उपयोग किए गए चैंपियन पदार्थों को संदर्भित किया जा सकता है।
3. प्रक्रिया विंडो पर पुनर्विचार: एक जमाव प्रक्रिया जो थोड़ी कम सतह कवरेज उत्पन्न करती है लेकिन उत्कृष्ट इंटरफेशियल गुण रखती है, संभवतः 100% पूर्ण कवरेज के पीछे भागने वाली नाजुक प्रक्रिया की तुलना में अधिक विनिर्माण-योग्य हो सकती है और उच्च औसत प्रदर्शन दे सकती है।
4. नया गुणवत्ता कारक: इंटरफेशियल परत के लिए, चालकता जैसे पारंपरिक मेट्रिक्स के अलावा, "एक्सपोज्ड ETL/HTL संपर्क पर पुनर्संयोजन दर" को एक प्रमुख मेट्रिक के रूप में प्राथमिकता दी जानी चाहिए।

6. तकनीकी विवरण और गणितीय सूत्र

मूल विश्लेषण, परिभाषित यूनिट सेल ज्यामिति के भीतर वाहक निरंतरता समीकरण और पॉइसन समीकरण को हल करने पर निर्भर करता है। प्रकाश-जनित वाहक उत्पादन दर $G(x)$ की गणना ऑप्टिकल ट्रांसफर मैट्रिक्स विधि का उपयोग करके की जाती है, जिसमें व्यतिकरण प्रभावों को ध्यान में रखा गया है। महत्वपूर्ण विश्लेषणात्मक अंतर्दृष्टि $V_{OC}$ को सतह कवरेज $s$ और इंटरफ़ेस पर पुनर्संयोजन धारा $J_{rec,int}$ से संबंधित करती है:

$V_{OC} \approx \frac{n k T}{q} \ln\left(\frac{J_{ph}}{J_{0, bulk} + (1-s) J_{0, int}}\right)$

यहाँ, $J_{ph}$ फोटोकरंट है, $J_{0, bulk}$ पेरोव्स्काइट बल्क सामग्री की संतृप्त धारा घनत्व है, और $J_{0, int}$ अंतराल के भीतर प्रत्यक्ष ETL/HTL इंटरफ़ेस की संतृप्त धारा घनत्व है। यह समीकरण स्पष्ट रूप से दर्शाता है कि $V_{OC}$ में गिरावट $(1-s)J_{0,int}$ पद से संबंधित है। यदि इंटरफ़ेस इंजीनियरिंग के माध्यम से $J_{0,int}$ को पर्याप्त रूप से छोटा बनाया जा सकता है, तो कम कवरेज $(1-s)$ के प्रभाव को कम किया जा सकता है।

शॉर्ट-सर्किट करंट का अनुमान उस फोटोजेनरेटेड करंट के एकीकरण द्वारा लगाया जाता है जो अंतराल क्षेत्र में खोया नहीं गया है या पुनर्संयोजन के कारण नष्ट नहीं हुआ है:

$J_{SC} \approx s \cdot J_{ph, ideal} - q (1-s) \int U_{int} dx$

यहाँ, $U_{int}$ इंटरफ़ेस पर पुनर्संयोजन दर है, जो दर्शाता है कि $J_{SC}$ सीधे $s$ और पुनर्संयोजन गतिविधि पर निर्भर करता है।

7. प्रयोगात्मक परिणाम और ग्राफ़ विवरण

सिमुलेशन परिणाम सारांश: संख्यात्मक सिमुलेशन ने मुख्य रूप से दो परिणाम समूह उत्पन्न किए, जो प्रमुख ग्राफ़ में प्रदर्शित होते हैं।

ग्राफ़ 1: पिनहोल आकार के साथ $J_{SC}$ और $V_{OC}$ में परिवर्तन (कवरेज निश्चित)। यह चित्र दर्शाता है कि कुल रिक्ति क्षेत्र स्थिर रहने पर भी, विशेषता सुई छिद्र आकार बढ़ने के साथ $J_{SC}$ में गिरावट आती है, जो परिधि-से-क्षेत्रफल अनुपात में वृद्धि और संबद्ध पुनर्संयोजन वृद्धि के कारण होती है। इसके विपरीत, $V_{OC}$ वक्र अपेक्षाकृत सपाट रहता है, जो आकार वितरण के प्रति इसकी असंवेदनशीलता को दर्शाता है।

चित्र 2: विभिन्न इंटरफ़ेस पुनर्संयोजन दरों पर सतह कवरेज के साथ दक्षता में परिवर्तन। 这是最具说服力的图表。它将显示多条曲线：对于高界面复合速率（界面质量差），效率随着覆盖率降低而迅速下降。对于低界面复合速率（界面质量优异），效率曲线保持高位且平坦，表明即使覆盖率在80-90%的器件也能保留>90%的理想电池效率。这直观地概括了本文关于界面工程的主要论点。

8. विश्लेषणात्मक ढांचा: उदाहरण केस स्टडी

परिदृश्य: एक शोध दल ने PSCs तैयार करने के लिए एक नए प्रीसर्सर इंक का उपयोग किया। SEM विश्लेषण से पता चला कि सतह कवरेज लगभग 92% था, लेकिन पिनहोल उनके मानक फॉर्मूलेशन की तुलना में बड़े दिखाई दिए। पारंपरिक विश्लेषण: निष्कर्ष निकाला कि नई स्याही बड़े पिनहोल के कारण खराब प्रदर्शन करती है, और आकृति सुधार पर ध्यान केंद्रित किया। इस पत्र के ढांचे पर आधारित विश्लेषण:

1. विद्युत आउटपुट मापन: I-V वक्र से $V_{OC}$ और $J_{SC}$ निकालें।
2. निदान: यदि $V_{OC}$ उच्च बनी रहती है (98% कवरेज वाले बेसलाइन के करीब), तो यह दर्शाता है कि ETL/HTL इंटरफ़ेस में कम पुनर्संयोजन दर ($J_{0,int}$ बहुत छोटा है) है। मुख्य नुकसान $J_{SC}$ में है।
3. मूल कारण और कार्रवाई: समस्या मुख्य रूप से प्रकाशीय (अवशोषण क्षेत्र हानि) है। समाधान कवरेज बेहतर करने के लिए फिल्म निर्माण में सुधार करना है, जरूरी नहीं कि इंटरफ़ेस सामग्री बदलनी पड़े। वोल्टेज के लिए, बड़े पिनहोल आकार की चिंता कम है।
4. मात्रात्मकीकरण: विश्लेषणात्मक मॉडल का उपयोग करके प्रभावी $J_{0,int}$ का पश्चगणन करना, यह पुष्टि करना कि इसका मान कम है। यह इंटरफ़ेस गुणवत्ता की पुष्टि करता है।

यह ढांचा संसाधनों को गलत तरीके से एक ऐसे इंटरफ़ेस को ठीक करने में आवंटित करने से रोकता है जो मुख्य समस्या नहीं है।

9. अनुप्रयोग संभावनाएं और भविष्य की दिशाएं

इस कार्य की अंतर्दृष्टि का PSCs के स्केलेबल निर्माण पर सीधा प्रभाव पड़ता है।

• निर्माण सह्यता: 通过定义一个“电学上可接受的”表面覆盖率窗口（例如，>90%），而不是追求完美主义目标，狭缝涂布或刮刀涂布等沉积技术变得更加可行，因为这些技术通常能产生粗糙度较高但覆盖率可接受的薄膜。
• स्थिर इंटरफ़ेस डिज़ाइन: भविष्य के शोध को "सार्वभौमिक" पैसिवेशन संपर्क परतों के विकास पर केंद्रित करना चाहिए, जो एक साथ उत्कृष्ट चार्ज चयनात्मकता और किसी भी उजागर इंटरफ़ेस पर अत्यंत कम पुनर्संयोजन दर प्रदान कर सकें। सेल्फ-असेंबल्ड मोनोलेयर्स या वाइड-बैंडगैप ऑक्साइड्स जैसी सामग्रियाँ आशाजनक उम्मीदवार हैं।
• एकीकृत निदान: प्रस्तावित I-V विश्लेषण को पायलट उत्पादन लाइन की ऑनलाइन गुणवत्ता नियंत्रण प्रणाली में एकीकृत किया जा सकता है, ताकि कोटिंग एकरूपता की वास्तविक समय में निगरानी की जा सके।
• टेंडम सेल तक विस्तार: यह सिद्धांत पेरोव्स्काइट-सिलिकॉन टेंडम सेल के लिए महत्वपूर्ण है। पेरोव्स्काइट टॉप सेल आमतौर पर बनावट वाले सिलिकॉन पर जमा किया जाता है, जिसका कवरेज स्वाभाविक रूप से अपूर्ण होता है। पेरोव्स्काइट चार्ज ट्रांसपोर्ट लेयर और सिलिकॉन बॉटम सेल (या इंटरलेयर) के बीच लगभग पुनर्संयोजन-मुक्त इंटरफ़ेस को डिज़ाइन करना, टेंडम सेल स्टैक के उच्च $V_{OC}$ को बनाए रखने के लिए महत्वपूर्ण है।

10. संदर्भ सूची

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