सेलेनियम/सिलिकॉन मोनोलिथिक टेंडम सोलर सेल: पहला प्रदर्शन और विश्लेषण

1. परिचय एवं अवलोकन

सिलिकॉन-आधारित फोटोवोल्टिक बाजार पर हावी है, लेकिन इसकी सिंगल-जंक्शन दक्षता सैद्धांतिक सीमा (~26.8%) के निकट पहुंच रही है। टेंडेम सोलर सेल, जिसमें एक सिलिकॉन बॉटम सेल के ऊपर एक वाइड-बैंडगैप टॉप सेल रखा जाता है, 30% से अधिक दक्षता प्राप्त करने का एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। यह कार्य सेलेनियम (Se) टॉप सेल और सिलिकॉन (Si) बॉटम सेल कामोनोलिथिक एकीकरणसेलेनियम में लगभग 1.8-2.0 eV का प्रत्यक्ष बैंडगैप, उच्च अवशोषण गुणांक और सरल तत्व संरचना होती है, जो इसे एक आशाजनक लेकिन ऐतिहासिक रूप से स्थिर उम्मीदवार सामग्री बनाती है, जो आज टैंडेम अनुप्रयोगों के कारण पुनर्जीवित हो रही है।

2. डिवाइस संरचना एवं निर्माण

2.1 मोनोलिथिक स्टैक संरचना

यह डिवाइस मोनोलिथिक तरीके से तैयार किया गया है, जिसका अर्थ है कि शीर्ष सेल और निचला सेल एक टनल जंक्शन या पुनर्संयोजन परत के माध्यम से श्रृंखला में जुड़े हुए हैं। नीचे से ऊपर तक सामान्य परत स्टैक संरचना इस प्रकार है:

• निचला सेल: n-प्रकार क्रिस्टलीय सिलिकॉन (c-Si) सब्सट्रेट, जिसमें डोप्ड पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन (n+ और p+) वाहक चयनात्मक संपर्क हैं और शीर्ष पर ITO की परत है।
• इंटरकनेक्ट/टनल जंक्शन: कम प्रतिरोध और प्रकाशिक रूप से पारदर्शी वाहक पुनर्संयोजन प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है।
• शीर्ष सेल: p-प्रकार पॉलीक्रिस्टलाइन सेलेनियम (poly-Se) अवशोषण परत।
• वाहक चयनात्मक संपर्क: इलेक्ट्रॉन चयनात्मक परत (ZnMgO या TiO₂) और होल सेलेक्टिव लेयर (MoO_x)।
• फ्रंट इलेक्ट्रोड: ITO और करंट कलेक्शन के लिए Au ग्रिड लाइन्स।

2.2 सामग्री चयन और प्रक्रिया

सेलेनियम का निम्न गलनांक (220°C) इसे अंतर्निहित सिलिकॉन सेल के साथ संगत निम्न-तापमान प्रक्रियाओं का उपयोग करने में सक्षम बनाता है। वाहक-चयनात्मक संपर्क का चयन महत्वपूर्ण है। प्रारंभिक उपकरणों में ZnMgO का उपयोग किया गया था, लेकिन बाद के सिमुलेशन से पता चला कि TiO₂इलेक्ट्रॉन परिवहन अवरोध को कम करने में बेहतर है।

3. प्रदर्शन विश्लेषण एवं परिणाम

3.1 प्रारंभिक डिवाइस प्रदर्शन

पहले सेलेनियम/सिलिकॉन मोनोलिथिक टेंडम सेल ने सन्स-ओपन सर्किट वोल्टेज (suns-V_oc) मापन के माध्यम से, उच्चतम1.68 Vका ओपन-सर्किट वोल्टेज (V_oc)। यह उच्च मानV_ocसामग्री की अच्छी गुणवत्ता और प्रभावी बैंडगैप मिलान का एक मजबूत संकेतक है, क्योंकि यह दो अलग-अलग सेल के वोल्टेज के योग के करीब है।

3.2 वाहक चयनात्मक संपर्क अनुकूलन

प्रारंभिक ZnMgO इलेक्ट्रॉनिक संपर्क को TiO से प्रतिस्थापित करने पर₂शक्ति आउटपुट10 गुना बढ़ गयायह महत्वपूर्ण सुधार स्टैक्ड सेल में इंटरफ़ेस इंजीनियरिंग की महत्वपूर्ण भूमिका को उजागर करता है, जहाँ मामूली ऊर्जा अवरोध गंभीर धारा बाधा उत्पन्न कर सकते हैं।

3.3 प्रमुख प्रदर्शन संकेतक

• ओपन-सर्किट वोल्टेज (V_oc): 1.68 V (suns-V_ocमाप)।
• स्यूडो फिल फैक्टर (pFF): >80%。这个高值源自与注入水平相关的V_ocमापन से पता चलता है कि मुख्य हानि हैपरजीवी श्रृंखला प्रतिरोध, न कि अवशोषण परत के भीतर आंतरिक पुनर्संयोजन हानि।
• दक्षता सीमित करने वाले कारक: पहचाने गए संचरण अवरोधों के कारण, फिल फैक्टर (FF) और धारा घनत्व (J_sc) कम हैं।

4. तकनीकी अंतर्दृष्टि एवं चुनौतियाँ

4.1 संचरण अवरोध एवं हानि तंत्र

मूल चुनौती विषम इंटरफेस के बीच गैर-आदर्श चार्ज वाहक संचरण में निहित है। SCAPS-1D सिमुलेशन से पता चलता है कि इलेक्ट्रॉन चयनात्मक संपर्क (ZnMgO/Se इंटरफेस) पर एक महत्वपूर्ण ऊर्जा अवरोध मौजूद है, जो इलेक्ट्रॉन निष्कर्षण में बाधा डालता है। यह उच्च श्रृंखला प्रतिरोध के रूप में प्रकट होता है, जो FF औरJ_sc。

4.2 सिमुलेशन-निर्देशित डिज़ाइन (SCAPS-1D)

मानक सौर सेल कैपेसिटेंस सिम्युलेटर SCAPS-1D का उपयोग करने से नैदानिक समस्याओं को हल करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। ऊर्जा बैंड आरेखों का अनुकरण करके, शोधकर्ता परिवहन अवरोधों के सटीक स्थान और ऊंचाई की सटीक पहचान करने में सक्षम थे, जिससे उन्हें ZnMgO को TiO₂से लक्षित रूप से प्रतिस्थापित करने में मदद मिली, क्योंकि TiO₂की Se के चालन बैंड के साथ संरेखण अधिक अनुकूल है।

5. मुख्य विश्लेषण अंतर्दृष्टि: चार-चरणीय विघटन विधि

मुख्य अंतर्दृष्टि: यह लेख एक उच्च-दक्षता चैंपियन उपकरण के बारे में नहीं है, बल्कि एक सबक हैडायग्नोस्टिक इंजीनियरिंगकी उत्कृष्ट कक्षा। लेखक ने एक उभरती हुई, उच्च क्षमता वाली सामग्री प्रणाली (Se/Si) को अपनाया, और मेट्रोलॉजी और सिमुलेशन के तरीकों को कुशलतापूर्वक जोड़कर, इसकी अकिलीज़ हील - इंटरफ़ेस ट्रांसपोर्ट - को सटीक रूप से पहचाना। असली कहानी इसकीमेथडोलॉजी, न कि शीर्षक में दिए गए दक्षता के आंकड़ों के।

तार्किक संरचना: तर्क अकाट्य है: 1) पहला मोनोलिथिक डिवाइस निर्मित करना (यह अपने आप में एक उपलब्धि है)। 2) आशाजनक प्रेक्षणV_ocलेकिन FF खराब है। 3) suns- का उपयोग करकेV_oc将串联电阻分离为罪魁祸首（pFF >80%是关键数据点）。4）部署SCAPS-1D可视化有问题的能量势垒。5）更换材料（ZnMgO→TiO₂) और 10 गुना लाभ प्राप्त करें। यह पाठ्यपुस्तक शैली की समस्या-समाधान प्रक्रिया है।

लाभ और सीमाएँ: इसकी ताकत इसकी स्पष्ट, भौतिकी-आधारित डिवाइस अनुकूलन पद्धति में है। कमी, जैसा कि लेखक स्वीकार करते हैं, यह है कि यह अभी भी एक कम-धारा डिवाइस है। उच्चV_ocयह आकर्षक है, लेकिन ऑप्टिकल लॉस (जो संभवतः मुख्य रूप से पॉलीक्रिस्टलाइन सेलेनियम और ITO परत में मौजूद है) को हल किए बिना और संपर्क इंजीनियरिंग को और अनुकूलित किए बिना, इसकी दक्षता की ऊपरी सीमा कम है। पेरोव्स्काइट/सिलिकॉन टेंडम में त्वरित, अनुभवजन्य अनुकूलन की तुलना में, यह दृष्टिकोण धीमा है, लेकिन संभवतः अधिक मौलिक है।

क्रियान्वयन योग्य अंतर्दृष्टि: उद्योग के लिए, संदेश दोहरा है। पहला, सेलेनियम/सिलिकॉन एक व्यवहार्य शोध मार्ग है जिसके पास अद्वितीय सरलता के लाभ हैं। दूसरा, इस पेपर द्वारा प्रदर्शित टूलकिट — suns-V_oc、pFF分析、SCAPS建模——应成为任何开发新型叠层架构团队的标准配置。投资者应关注后续解决光学设计问题并展示电流密度>15 mA/cm²的研究工作。在此之前，这是一个有前景但处于早期阶段的平台。

6. मूल विश्लेषण: फोटोवोल्टिक क्षेत्र में सेलेनियम का पुनरुत्थान

जैसा कि इस कार्य से पता चलता है, फोटोवोल्टिक क्षेत्र में सेलेनियम का पुनरुत्थान "पुरानी सामग्री, नया खेल" का एक आकर्षक मामला है। दशकों तक, सेलेनियम ने पहली पीढ़ी की ठोस-राज्य सौर कोशिकाओं की सामग्री के रूप में इतिहास में अपना स्थान बनाया, केवल सिलिकॉन की औद्योगिक प्रभुत्व से ढक गया। इसका हालिया पुनरुत्थान सिलिकॉन टेंडम पैराडाइम की विशिष्ट आवश्यकताओं से प्रेरित है, जिसके लिए एकस्थिर, चौड़ी बैंडगैप और प्रक्रिया में सरल साथी की तलाश है।एक होली ग्रेल के रूप में। हालांकि पेरोव्स्काइट/सिलिकॉन टेंडम सेल अपनी दक्षता में तेजी से वृद्धि के कारण ध्यान आकर्षित कर रहे हैं, लेकिन उन्हें स्थिरता और सीसा सामग्री के मुद्दों का सामना करना पड़ रहा है। जैसा कि 2023 के NREL बेस्ट रिसर्च-सेल एफिशिएंसी चार्ट में दिखाया गया है, पेरोव्स्काइट/सिलिकॉन टेंडम दक्षता में अग्रणी हैं, लेकिन एक अलग "उभरती हुई फोटोवोल्टिक" श्रेणी है, जो इस बात पर प्रकाश डालती है कि उनकी विश्वसनीयता संबंधी चुनौतियाँ बनी हुई हैं।

यह कार्य सेलेनियम को एक आकर्षक, यद्यपि पिछड़ा हुआ, लेकिन मजबूत विकल्प के रूप में स्थापित करता है। इसकी एकल-तत्व संरचना एक मौलिक लाभ है, जो CIGS या पेरोव्स्काइट जैसे यौगिक अर्धचालकों में आम स्टोइकोमेट्री और फेज सेपरेशन की समस्याओं को समाप्त करती है। रिपोर्ट की गई सेलेनियम फिल्म की वायु स्थिरता एक और महत्वपूर्ण अंतरकारी कारक है, जिससे एनकैप्सुलेशन लागत कम हो सकती है। लेखकों द्वारा प्राप्त 1.68 V V_ocमहत्वपूर्ण है; यह दर्शाता है कि सेलेनियम टॉप सेल वोल्टेज के मामले में कमजोर कड़ी नहीं है। यह शॉक्ले-क्वाइसर डिटेल्ड बैलेंस लिमिट से मेल खाता है, जो दर्शाती है कि सिलिकॉन बॉटम सेल के लिए इष्टतम टॉप सेल बैंडगैप लगभग 1.7-1.9 eV है - जो ठीक सेलेनियम के मजबूत क्षेत्र में आता है।

हालांकि, आगे का रास्ता कठिन है। पेरोव्स्काइट-आधारित टेंडम की तुलना में दक्षता का अंतर बहुत बड़ा है। नेशनल रिन्यूएबल एनर्जी लेबोरेटरी (NREL) द्वारा दर्ज पेरोव्स्काइट/सिलिकॉन टेंडम दक्षता 33% से अधिक हो चुकी है, जबकि यह सेलेनियम/सिलिकॉन डिवाइस अभी अपने प्रथम प्रदर्शन चरण में है। जैसा कि लेखकों ने सटीक रूप से बताया है, मुख्य चुनौतीहेटरोइंटरफेस का ट्रांसपोर्ट फिजिक्स है।यह नई फोटोवोल्टिक सामग्रियों में एक सामान्य विषय है, जो प्रारंभिक कार्बनिक सौर सेल अनुसंधान की याद दिलाता है, जहां संपर्क इंजीनियरिंग महत्वपूर्ण थी। सेलेनियम/सिलिकॉन टेंडम का भविष्य दोष पैसिवेशन, बैंड अलाइनमेंट वाली संपर्क सामग्रियों के एक सेट के विकास पर निर्भर करता है - यह एक सामग्री विज्ञान चुनौती है, जो पेरोव्स्काइट क्षेत्र द्वारा सामना की गई और आंशिक रूप से Spiro-OMeTAD और SnO जैसे यौगिकों के माध्यम से हल की गई समस्या के समान है।₂यदि सेलेनियम अन्य उभरते फोटोवोल्टिक क्षेत्रों से सीखे गए इंटरफेस इंजीनियरिंग के पाठों को अपना सकता है, तो इसकी अंतर्निहित स्थिरता और सरलता इसे टेंडम दौड़ में एक डार्क हॉर्स बना सकती है।

7. तकनीकी विवरण एवं गणितीय रूप

विश्लेषण महत्वपूर्ण फोटोवोल्टिक समीकरणों और सिमुलेशन पैरामीटरों पर निर्भर करता है:

1. प्रकाश तीव्रता-खुला सर्किट वोल्टेज (suns-V_oc) विधि: यह तकनीक मापती हैV_ocप्रकाश तीव्रता में परिवर्तन के साथ, श्रृंखला प्रतिरोध प्रभाव को डायोड विशेषताओं से अलग किया जाता है। संबंध इस प्रकार है:
$V_{oc}(S) = \frac{n k T}{q} \ln(S) + V_{oc}(1)$
जहाँ $S$ प्रकाश तीव्रता (सूर्य के प्रकाश की तीव्रता की इकाइयों में) है, $n$ आदर्शता कारक है, $k$ बोल्ट्ज़मान स्थिरांक है, $T$ तापमान है, और $q$ प्राथमिक आवेश है। रैखिक फिट आदर्शता कारक को प्रकट कर सकता है।

2. छद्म भरण कारक (pFF): सन्स- से व्युत्पन्नV_ocडेटा, श्रृंखला प्रतिरोध ($R_s$) और शंट हानि ($R_{sh}$) के बिना अधिकतम संभव FF का प्रतिनिधित्व करता है। एकीकृत डायोड करंट-वोल्टेज ($J_d-V$) विशेषता से गणना की गई:
$pFF = \frac{P_{max, ideal}}{J_{sc} \cdot V_{oc}}$
pFF > 80% 表明体结质量高，损耗主要是电阻性的。

3. SCAPS-1D सिमुलेशन पैरामीटर: सेलेनियम/सिलिकॉन टैंडेम मॉडलिंग के लिए प्रमुख इनपुट्स में शामिल हैं:
- सेलेनियम: बैंडगैप $E_g = 1.9$ eV, इलेक्ट्रॉन एफिनिटी $χ = 4.0$ eV, डाइइलेक्ट्रिक कॉन्स्टेंट $ε_r ≈ 6$।
- इंटरफ़ेस: हेटरोजंक्शन पर दोष घनत्व ($N_t$), कैप्चर क्रॉस-सेक्शन ($σ_n, σ_p$).
- संपर्क: ZnMgO (लगभग 4.0 eV) और TiO₂(लगभग 4.2 eV) का कार्य फलन Se के साथ चालन बैंड ऑफसेट ($ΔE_c$) को गंभीर रूप से प्रभावित करता है।

8. प्रायोगिक परिणाम एवं आरेख स्पष्टीकरण

ग्राफ़ स्पष्टीकरण (पाठ के आधार पर): पेपर में दो महत्वपूर्ण अवधारणा चित्र शामिल हो सकते हैं।

चित्र 1: डिवाइस संरचना का योजनाबद्ध आरेख। मोनोलिथिक स्टैक का क्रॉस-सेक्शनल दृश्य दर्शाता है: "Ag / poly-Si:H (n+) / c-Si (n) / poly-Si:H (p+) / ITO / [टनल जंक्शन] / ZnMgO या TiO₂ (n+) / poly-Se (p) / MoO_x / ITO / Au grid lines." This illustrates the series connection and the complex material stacking required for monolithic integration.

Figure 2: Energy band diagram from SCAPS-1D. This is a key diagnostic diagram. It will display two graphs side by side:
a) ZnMgO का उपयोग करें: ZnMgO/Se इंटरफ़ेस के कंडक्शन बैंड में एक स्पष्ट "स्पाइक" या बैरियर है, जो सेलेनियम अवशोषण परत से संपर्क परत तक इलेक्ट्रॉन प्रवाह को रोकता है।
b) TiO का उपयोग करें₂： अधिक अनुकूल "क्लिफ" या छोटे स्पाइक संरेखण ने थर्मल इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन को बढ़ावा दिया और इलेक्ट्रॉन परिवहन बैरियर को कम किया। इस बैरियर में कमी सीधे तौर पर 10 गुना प्रदर्शन वृद्धि की व्याख्या करती है।

Implied current-voltage (J-V) curve: The text implies that the initial device would show a characteristic "S-shaped" or severely bent J-V curve due to high series resistance. Replacing ZnMgO with TiO₂, the curve becomes more "square", with improved fill factor and current density, although there is still a gap compared to champion cells.

9. विश्लेषणात्मक ढांचा: एक गैर-कोड केस स्टडी

केस अध्ययन: नई स्टैक्ड बैटरी में हानि का निदान

परिदृश्य: एक शोध दल ने एक नई मोनोलिथिक टेंडेम सेल (सिलिकॉन पर सामग्री X) बनाई है। यह उच्च दिखाती हैV_oc, लेकिन दक्षता निराशाजनक रूप से कम है।

फ्रेमवर्क अनुप्रयोग (इस पेपर से प्रेरित):

1. चरण 1 - हानि प्रकारों को अलग करें: suns- का निष्पादन करेंV_oc测量。结果：高pFF（>75%)।निष्कर्ष: फोटोवोल्टिक जंक्शन की गुणवत्ता स्वयं ठीक है; नुकसान मुख्य रूप से बल्क या इंटरफ़ेस पुनर्संयोजन से नहीं होता है।
2. चरण 2 - प्रतिरोध हानि का मात्रात्मक मूल्यांकन: pFF से प्राप्त आदर्श शक्ति और मापी गई शक्ति के बीच का अंतर हैप्रतिरोधक शक्ति हानि। बड़ा अंतर उच्च श्रृंखला प्रतिरोध की ओर इशारा करता है।
3. चरण 3 - अवरोध का स्थान निर्धारित करें: डिवाइस सिमुलेशन सॉफ्टवेयर (जैसे SCAPS-1D, SETFOS) का उपयोग करें। स्टैक मॉडल स्थापित करें। वाहक-चयनात्मक संपर्क परत की इलेक्ट्रॉन आत्मीयता/कार्य फलन को व्यवस्थित रूप से बदलें। ऑपरेटिंग परिस्थितियों में पहचानें कि कौन सा इंटरफ़ेस ऊर्जा बैंड आरेख में एक बड़ा ऊर्जा अवरोध पैदा करता है।
4. चरण 4 - परिकल्पना और परीक्षण: परिकल्पना: "इलेक्ट्रॉन संपर्क सामग्री Y और सामग्री X के बीच +0.3 eV का चालन बैंड ऑफ़सेट है, जो एक अवरोधक अवरोध पैदा कर रहा है।" परीक्षण: सामग्री Y को सामग्री Z से बदलें, जिसमें शून्य के करीब या नकारात्मक (क्लिफ) ऑफ़सेट होने का अनुमान है।
5. चरण 5 - पुनरावृत्ति: नए डिवाइस को मापें। यदि FF औरJ_scमें उल्लेखनीय सुधार हो, तो परिकल्पना सही है। फिर, अगले सबसे बड़े नुकसान (जैसे, ऑप्टिकल अवशोषण, होल कॉन्टैक्ट) की ओर बढ़ें।

यह संरचित, भौतिकी-आधारित ढांचा ट्रायल-एंड-एरर से आगे बढ़कर किसी भी उभरती हुई टेंडेम तकनीक पर सीधे लागू होता है।

10. भविष्य के अनुप्रयोग एवं विकास रोडमैप

अल्पकालिक (1-3 वर्ष):

• संपर्क इंजीनियरिंग: सेलेनियम के लिए विशिष्ट नए इलेक्ट्रॉन/होल ट्रांसपोर्ट लेयर्स की खोज और अनुकूलन। डोपेड मेटल ऑक्साइड्स, ऑर्गेनिक मॉलिक्यूल्स और द्वि-आयामी सामग्रियों का स्क्रीनिंग किया जाना चाहिए।
• प्रकाशिकी प्रबंधन: एकीकृत प्रकाश अवरोधन संरचनाएं (टेक्स्चरिंग, विवर्तन झंझरी) और अनुकूलित एंटी-रिफ्लेक्शन कोटिंग्स को शामिल करना, ताकि सेलेनियम टॉप सेल की धारा घनत्व बढ़ाई जा सके, जो अपूर्ण अवशोषण या संपर्क परतों में परजीवी अवशोषण से सीमित हो सकती है।
• बैंडगैप इंजीनियरिंग: सिलिकॉन टेंडम के लिए आदर्श 1.7 eV मान के करीब बैंडगैप को समायोजित करने के लिए सेलेनियम-टेल्यूरियम (SeTe) मिश्र धातुओं का अन्वेषण, जिससे धारा मिलान में सुधार हो सकता है।

मध्यम अवधि (3-7 वर्ष):

• स्केलेबल डिपॉज़िशन तकनीक: प्रयोगशाला पैमाने की थर्मल इवैपोरेशन से स्केलेबल तकनीकों जैसे वेपर ट्रांसपोर्ट डिपॉज़िशन या स्पटरिंग की ओर बदलाव, सेलेनियम डिपॉज़िशन के लिए।
• टनल जंक्शन अनुकूलन: अत्यधिक पारदर्शी, कम प्रतिरोध वाली और मजबूत इंटरकनेक्ट परतों का विकास करना जो टॉप सेल की प्रसंस्करण प्रक्रियाओं को सहन कर सकें।
• पहला दक्षता मील का पत्थर: 展示认证的硒/硅叠层电池效率>15%，证明该概念可以超越原理验证阶段。

दीर्घकालिक एवं अनुप्रयोग संभावनाएं:

• द्विपक्षीय और कृषि-फोटोवोल्टेयिक पूरकता: आंशिक पारदर्शिता की आवश्यकता वाले द्विपक्षीय मॉड्यूल या कृषि-फोटोवोल्टेयिक पूरक प्रणालियों के लिए, पतला करके सेलेनियम का उपयोग करके अर्ध-पारदर्शी होने की संभावना।
• अंतरिक्ष फोटोवोल्टेयिक: रिपोर्टों के अनुसार, सेलेनियम में विकिरण प्रतिरोध और स्थिरता होती है, जो सेलेनियम/सिलिकन टेंडम को अंतरिक्ष अनुप्रयोगों के लिए आकर्षक बना सकती है, क्योंकि इन अनुप्रयोगों में दक्षता और वजन की आवश्यकताएं अत्यधिक होती हैं।
• कम लागत वाला विशिष्ट बाजार: 如果能够证明其可制造性和效率（>20%），硒/硅叠层可以瞄准那些极端稳定性和简单供应链比追求最高效率更重要的细分市场。

11. संदर्भ सूची

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