उच्च वोल्टेज सौर कोशिकाओं के लिए मल्टी-बैंडगैप PbS क्वांटम डॉट सॉलिड में फर्मी-स्तर संतुलन आधारित ट्रैप फिलिंग

क्वांटम डॉट्स नैनोमीटर आकार के अर्धचालक क्रिस्टल होते हैं, जिनके इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल गुणों को केवल उनके आकार में बदलाव करके नियंत्रित किया जा सकता है।

ट्रैप स्टेट्स वे दोष-जनित ऊर्जा स्तर होते हैं जो बैंडगैप के भीतर स्थित होते हैं। ये आवेश वाहकों (charge carriers) को पकड़ लेते हैं, जिससे पुनर्संयोजन (recombination) बढ़ता है और आवेश परिवहन में बाधा उत्पन्न होती है, जिसके परिणामस्वरूप सौर कोशिकाओं की धारा और वोल्टेज आउटपुट कम हो जाता है।

मल्टी-बैंडगैप PbS क्वांटम डॉट सॉलिड में फर्मी-स्तर संतुलन-संचालित इलेक्ट्रॉन प्रवासन, गहरे ट्रैप्स को निष्क्रिय (passivate) करने में सक्षम बनाता है, जिससे रिकॉर्ड स्तर का फोटोवोल्टेज और उच्च-प्रदर्शन सौर कोशिकाओं में बेहतर आवेश-वाहक परिवहन प्राप्त होता है।

क्वांटम डॉट (QD) सौर कोशिकाएँ लंबे समय से अपने आकार-समायोज्य बैंडगैप, सॉल्यूशन प्रोसेसिंग की क्षमता और कम लागत वाली निर्माण तकनीकों के साथ अनुकूलता के कारण आकर्षण का केंद्र रही हैं। इनमें, लेड सल्फाइड (PbS) क्वांटम डॉट्स अपनी मजबूत इन्फ्रारेड अवशोषण क्षमता और सिंगल-जंक्शन फोटोवोल्टिक अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्तता के कारण विशेष रूप से महत्वपूर्ण हैं।

हालांकि, लिगैंड इंजीनियरिंग के माध्यम से सतह निष्क्रियकरण (surface passivation) में उल्लेखनीय प्रगति के बावजूद, एक स्थायी चुनौती अब भी इनके प्रदर्शन को सीमित करती है—इलेक्ट्रॉनिक ट्रैप अवस्थाएँ, जो क्वांटम डॉट्स के उच्च सतह-से-आयतन अनुपात के कारण उत्पन्न होते हैं। ये सब-बैंडगैप अवस्थाएँ आवेश वाहकों को पकड़ लेती हैं, ओपन-सर्किट वोल्टेज (Voc) को कम करती हैं और बार-बार ट्रैपिंग और डी-ट्रैपिंग प्रक्रियाओं के कारण आवेश परिवहन को सीमित करती हैं।

इस सीमा को दूर करने के लिए सीएसआईआर-राष्ट्रीय रासायनिक प्रयोगशाला में डॉ. अरूप कुमार रथ और उनकी टीम ने एक नई अवधारणा पर आधारित रणनीति प्रस्तुत की, जो इंजीनियर्ड मल्टी-बैंडगैप PbS क्वांटम डॉट सॉलिड में फर्मी-स्तर संतुलन-संचालित ट्रैप फिलिंग पर आधारित है। प्रत्येक ट्रैप अवस्था को रासायनिक रूप से समाप्त करने के बजाय, यह दृष्टिकोण विभिन्न बैंडगैप वाले क्वांटम डॉट्स के बीच नियंत्रित इलेक्ट्रॉन पुनर्वितरण पर केंद्रित है, जिससे गहरे ट्रैप्स का विद्युत रूप से निष्क्रियकरण (passivation) किया जा सके।

इसमें कम-बैंडगैप “होस्ट” PbS क्वांटम डॉट्स को थोड़ी मात्रा में उच्च-बैंडगैप “डोपेंट” क्वांटम डॉट्स के साथ मिलाया जाता है। इस प्रकार प्रणाली को इस तरह डिजाइन किया जाता है कि इलेक्ट्रॉन स्वतः डोपेंट डॉट्स से होस्ट डॉट्स की ओर प्रवाहित हों, जब तक कि फर्मी-स्तर संतुलन स्थापित न हो जाए, जैसा कि चित्र 1 में दर्शाया गया है।

चित्र 1. मल्टी-बैंडगैप (ब्लेंड) क्वांटम डॉट ठोस में ट्रैप फिलिंग मॉडल का यांत्रिक दृश्य। इस आरेख में होस्ट QDs फिल्म, उच्च-बैंडगैप डोपेंट QDs फिल्म तथा ब्लेंड QDs फिल्म में संशोधित ऊर्जा स्तरों के लिए कंडक्शन बैंड (CB), वैलेंस बैंड (VB), फर्मी स्तर (Ef) तथा भरे और खाली ट्रैप स्टेट्स को दर्शाया गया है।

यह इलेक्ट्रॉन प्रवासन ट्रैप निष्क्रियकरण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। उच्च-बैंडगैप QDs से स्थानांतरित इलेक्ट्रॉन, कम-बैंडगैप QDs के कंडक्शन बैंड किनारे के नीचे स्थित गहरे ट्रैप स्टेट्स को प्राथमिकता से भर देते हैं। परिणामस्वरूप, गहरे ट्रैप्स की घनता लगभग 50% तक कम हो जाती है और शेष ट्रैप वितरण कंडक्शन बैंड के अधिक निकट खिसक जाता है (चित्र 2 b एवं c)। ऊर्जा के इस पुनर्व्यवस्थापन से डिवाइस संचालन के दौरान आवेश वाहकों को पकड़ने और स्थिर करने की उनकी क्षमता में काफी कमी आ जाती है।

विद्युत परिवहन मापों से पता चलता है कि इस प्रकार ट्रैप्स के पूर्व-फिलिंग (pre-filling) से ट्रैपिंग-डीट्रैपिंग घटनाओं में उल्लेखनीय कमी आती है। परिणामस्वरूप, आवेश वाहक गतिशीलता (mobility) में सुधार होता है, भले ही उच्च-बैंडगैप डोपेंट QDs स्वयं प्रत्यक्ष रूप से आवेश परिवहन में योगदान नहीं देते, क्योंकि उनका बैंड संरेखण अनुकूल नहीं होता। इसके बजाय, उनकी भूमिका पूरी तरह इलेक्ट्रॉनिक होती है—वे ऐसे स्रोत (reservoir) के रूप में कार्य करते हैं जो होस्ट QDs के हानिकारक गहरे ट्रैप अवस्थाओं को निष्क्रिय करने के लिए इलेक्ट्रॉन प्रदान करते हैं।

इस रणनीति का प्रभाव डिवाइस स्तर पर अत्यंत महत्वपूर्ण है। इन मल्टी-बैंडगैप PbS क्वांटम डॉट ठोसों से निर्मित सौर कोशिकाएँ 1.33 eV एक्साइटोनिक पीक वाले QDs के लिए 725 ± 10 mV का रिकॉर्ड ओपन-सर्किट वोल्टेज (Voc) प्राप्त करती हैं, जो PbS क्वांटम डॉट फोटोवोल्टिक्स के लिए रिपोर्ट किए गए उच्चतम मूल्यों में से एक है। वोल्टेज में इस सुधार के साथ-साथ प्रभावी आवेश निष्कर्षण (charge extraction) के कारण 14% से अधिक की विद्युत रूपांतरण दक्षता प्राप्त होती है (चित्र 2c)।

चित्र 2.
(a) नियंत्रण होस्ट QDs फिल्म और इंजीनियर्ड ब्लेंड QDs फिल्मों के उत्सर्जन स्पेक्ट्रा (उत्तेजन तरंगदैर्ध्य: 500 nm) (b) नियंत्रण होस्ट QDs और ब्लेंड QDs सौर कोशिकाओं के लिए कंडक्शन बैंड किनारे (ECB–E) के नीचे ट्रैप घनता वितरण, जिसे थर्मल एडमिटेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी (TAS) द्वारा मापा गया है। नियंत्रण होस्ट QDs में ट्रैप वाहक घनता 0.37 eV पर 4.07×10¹⁶ cm⁻³ के शिखर मान तक पहुँचती है, जबकि ब्लेंड QDs में यह घनता काफी कम होकर 2.35×10¹⁶ cm⁻³ हो जाती है और ट्रैप ऊर्जा भी कम होकर 0.31 eV हो जाती है।(c) सौर प्रकाश के तहत धारा–वोल्टेज विशेषताओं की तुलना बेहतर सौर कोशिका प्रदर्शन दर्शाती है, जहाँ ब्लेंड QDs 14.1% दक्षता प्राप्त करते हैं, जबकि नियंत्रण होस्ट QDs की दक्षता 11.9% है।

पूरक सैद्धांतिक विश्लेषण प्रयोगात्मक परिणामों का समर्थन करता है, यह दर्शाते हुए कि विभिन्न आकारों के क्वांटम डॉट्स के बीच फर्मी-स्तर संतुलन इलेक्ट्रॉनों को गहरे ट्रैप स्टेट्स में स्थानांतरित करने के लिए पर्याप्त है। यह संतुलन-आधारित तंत्र ट्रैप

निष्क्रियकरण के लिए एक ऊष्मागतिक रूप से स्थिर और स्व-नियंत्रित (self-regulating) साधन प्रदान करता है, जिसमें अतिरिक्त रासायनिक उपचार या जटिल डिवाइस संरचनाओं की आवश्यकता नहीं होती।

क्वांटम डॉट सौर कोशिकाओं में ट्रैप-सम्बंधित हानियों को कम करने के लिए पहले की रणनीतियाँ मुख्यतः सतह रसायन पर केंद्रित रही हैं, जैसे लिगैंड एक्सचेंज, परमाणु स्तर पर निष्क्रियकरण (atomic passivation) या कोर-शेल संरचनाएँ। यद्यपि ये विधियाँ कुछ हद तक प्रभावी हैं, लेकिन वे गहरे ट्रैप्स को पूरी तरह समाप्त करने में अक्सर असफल रहती हैं या डॉट्स के बीच इलेक्ट्रॉनिक कपलिंग को प्रभावित कर सकती हैं। इसके विपरीत, वर्तमान कार्य एक मूलतः अलग दृष्टिकोण प्रस्तुत करता है—फिल्म बनने के बाद ट्रैप्स को निष्क्रिय करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक बैंड इंजीनियरिंग और आवेश पुनर्वितरण का उपयोग। यह दृष्टिकोण मौजूदा पासिवेशन तकनीकों के साथ पूरक है और उच्च-प्रदर्शन QD सॉलिड के डिजाइन में एक नया आयाम जोड़ता है।

मल्टी-बैंडगैप PbS क्वांटम डॉट ठोसों में फर्मी-स्तर-संचालित ट्रैप फिलिंग का यह प्रदर्शन क्वांटम डॉट फोटोवोल्टिक्स में एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करता है। अपरिहार्य सतही दोषों को इलेक्ट्रॉनिक रूप से निष्क्रिय अवस्थाओं में परिवर्तित करके, यह रणनीति उच्च वोल्टेज और कुशल आवेश-वाहक परिवहन की दिशा में एक प्रमुख बाधा को दूर करती है। जैसे-जैसे क्वांटम डॉट सौर कोशिकाएँ विकसित हो रही हैं, ट्रैप प्रबंधन और इलेक्ट्रॉनिक संतुलन से जुड़े ऐसे नवाचार उनके प्रदर्शन को सैद्धांतिक सीमाओं के और करीब ले जाने और अगली पीढ़ी की फोटोवोल्टिक तकनीकों में उनके उपयोग को तेज करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकते हैं।

उच्च-प्रदर्शन वाले सौर कोशिका में रिकॉर्ड वोल्टेज उत्पादन और बेहतर वाहक परिवहन को सक्षम करने वाले मल्टी-बैंडगैप PbS क्वांटम डॉट ठोस पदार्थों में फर्मी-स्तर संतुलन-संचालित ट्रैप फिलिंग।

लेखक:
नेहा वी. दांभरे, अरिंदम बिस्वास, अंजली शर्मा, दीपक दत्तात्रेय शिंदे, अनुराग मित्रा, वृषाली एस. गिराडे, अरूप कुमार रथ*

DOI: (https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c03000)