सोलर कॉफी: कैफीन के कारण सौर कोशिकाओं की क्षमता में वृद्धि

सुबह कठिन शुरू होती है, खासकर यदि आप साढ़े पांच बजे उठते हैं। खिड़की के बाहर बारिश होती है, छतरियों के नीचे छिपकर काम करने के लिए दौड़ने वाले कुछ लार्क्स के चेहरे, और उल्लू मापा चरणों में घर लौटते हैं। अलार्म घड़ी, प्रकृति द्वारा एक मैल है, तीसरी बार बजने की अपनी अंतर्निहित सटीकता के साथ जारी है। और किसी कारण से, यह प्रतीत होता है कि वह जलन और फटकार के साथ ऐसा कर रहा है। गेम ऑफ थ्रोन्स से तीसरी रात घड़ी संकेत के नियम का पालन करते हुए, आपको तीसरे कॉल पर बिस्तर से बाहर निकलने की जरूरत है और, सफेद वॉकर की तरह, रसोई की ओर घूमते हैं। केटल, कप, चीनी, कॉफी। बस, सुबह ही आधिकारिक तौर पर शुरू हो गई।

यह लघु निबंध स्पष्ट रूप से हम में से कई की सुबह की दिनचर्या को बताता है। और इसकी मुख्य विशेषता कॉफी है, जिसके बिना सुबह में कभी-कभी कपाल में मस्तिष्क की उपस्थिति को याद रखना मुश्किल होता है। कॉफी का स्फूर्तिदायक प्रभाव कैफीन के साइकोस्टिम्युलेटिंग प्रभाव का परिणाम है। मैं किस बारे में बात कर रहा हूं, वैज्ञानिकों के एक समूह ने, मज़े के लिए, फोटोकल्स को बेहतर बनाने के लिए कैफीन का उपयोग करने का फैसला किया। और जैसा कि हम जानते हैं, हर मजाक में कुछ सच्चाई होती है, क्योंकि इस मजाकिया विचार ने अभ्यास में आश्चर्यजनक परिणाम दिए हैं। कैफीन को फोटोकल्स में कैसे लागू किया गया था, क्या संकेतक बेहतर हो सकते हैं, और ऐसा सुधार कितना उचित है? हम वैज्ञानिकों की एक रिपोर्ट में इन और अन्य सवालों के जवाब (नहीं, कॉफी के मैदान में नहीं) पाएंगे। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

जैसा कि मैंने पहले उल्लेख किया है, यह अध्ययन वास्तव में प्रयोगशाला कैफेटेरिया में सुबह की एक कप कॉफी पर एक मजाक के रूप में उत्पन्न हुआ। हालांकि, वैज्ञानिक वैज्ञानिक नहीं होंगे यदि उन्होंने पहली नज़र में हास्यास्पद रूप से ऐसा कुछ लागू करने की कोशिश नहीं की थी।

कैफीन के अलावा, मुख्य प्रयोगात्मक एक साधारण फोटोकेल नहीं था, लेकिन पर्कोव्इट।

फोटोकेल * फोटॉन ऊर्जा (सूर्य के प्रकाश) को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए एक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण है।

पेर्कोवित * कैल्शियम टिटनेट (CaTiO ₃ ) का एक दुर्लभ खनिज है।

एक पर्कोविट फोटोकेल पर्कोव्साइट हैलाइड के कार्बनिक-अकार्बनिक संकर से सामग्री पर आधारित है (इसके बाद पीवीकेके )। पीवीएसके सौर ऊर्जा में एक वास्तविक सफलता है, जो उपयोग के आंकड़ों से पुष्टि की जाती है: 2009 में 3.8% और 2018 के अंत में 23.3%। हालांकि, इस सामग्री की सफलता पर अभी तक केवल प्रयोगशाला स्थितियों में ही आनन्दित हैं, क्योंकि दीर्घकालिक स्थिरता के साथ समस्याएं सौर कोशिकाओं के व्यावसायिक उत्पादन में इसके उपयोग की अनुमति नहीं देती हैं। उदाहरण के लिए, शोध में प्रचलित सीज़ियम (Cs) और फॉर्ममिडीनियम (FA) पर आधारित PVSK, थर्मोडायनामिक गुणों के संदर्भ में कमरे के तापमान पर सामान्य रूप से काम नहीं कर सकते हैं। लेकिन यह मिथाइल अमोनियम (PV) आधारित PVSK है।

लेकिन यह इतना सरल भी नहीं है: एमए पीवीएसके कार्बनिक कटियन अस्थिर है, जिसके परिणामस्वरूप पीवीएसके का तेजी से अपघटन होता है और ऊंचा तापमान पर ट्राइगोनल लीड आयोडाइड (पीबीआई ₂ ) की वर्षा होती है।

PVSK के अंदर आयनों के साथ एक समस्या भी है। शोधकर्ता एक ज्वलंत उदाहरण देते हैं: I ^- आयन आसानी से PVSK के पॉलीक्रिस्टलाइन अनाज से गुजर सकते हैं और PVSK परत से परे जा सकते हैं, और फिर थर्मल ऊर्जा के प्रभाव में एक धातु इलेक्ट्रोड पर कार्य कर सकते हैं। यह गैर-विकिरण पुनर्संयोजन के वर्गों के रूप में दोष का कारण बनता है। इसके अलावा, यादृच्छिक रूप से उन्मुख पीवीएसके अनाज ऊर्ध्वाधर दिशा में कमजोर चार्ज हस्तांतरण का कारण बन सकता है, जो पीवीएसके फिल्म की तेज और अनियंत्रित वृद्धि प्रक्रिया का एक परिणाम है।

वैज्ञानिकों के अनुसार, पीवीएसके-आधारित सौर कोशिकाओं के प्रदर्शन में सुधार के लिए काम का भारी बहुमत स्वयं उपकरणों, उनके वास्तुकला और संरचनात्मक सुधारों पर लक्षित था, और पीवीएसके पर नहीं।

एक ही अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने मिथाइल अमोनियम (MA) के आधार पर PVSK के लिए कैफीन (लुईस संरचना और नीचे 1 ए तीन आयामी मॉडल) के लिए एक काल्पनिक वैज्ञानिक नाम 1,3,7-ट्राइमेथाइल-एक्सथाइन लागू किया। विभिन्न रासायनिक स्थितियों के तहत कार्बोक्सिल समूहों का उपयोग करते हुए, कैफीन एक प्रकार का "आणविक द्वार" बन गया, जिसने पीबी ^{2+ आयनों के} साथ बातचीत की, जिससे पीवीएसके क्रिस्टल का विकास धीमा हो गया। इसके अलावा, सक्रियण ऊर्जा को बढ़ाकर वांछित अभिविन्यास प्राप्त करना संभव था।

नतीजतन, कैफीनयुक्त पीवीएसके फिल्मों और कम दोष घनत्व के उत्कृष्ट क्रिस्टलीयता को प्राप्त करना संभव था, साथ ही साथ बेहतर ऊर्ध्वाधर चार्ज हस्तांतरण भी। और प्रदर्शन का गुणांक (COP) पहले इस तकनीक के लिए अकल्पनीय था 20.25%। डिवाइस की थर्मल स्थिरता के लिए, वैज्ञानिकों ने 1300 घंटे से अधिक के लिए 85 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर स्थिरता हासिल करने में कामयाबी हासिल की।

ये वास्तव में उत्कृष्ट परिणाम हैं, विशेष रूप से इस अध्ययन की हास्य जड़ों पर विचार कर रहे हैं। अब आइए देखें कि इसने क्या और कैसे काम किया।

अनुसंधान के परिणाम

चित्र संख्या 1

चित्रा 1 बी कैफीन (ब्लू लाइन) के फूरियर रूपांतरण, शुद्ध एमएपीबी ₃ (काली रेखा) और एमएपीबीआई कैफीन (लाल रेखा) के साथ अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी के परिणामों को दर्शाता है। शुद्ध कैफीन में दो सी = ओ बांड से संबंधित खिंचाव कंपन 1.652 सेमी ^-1 और 1,699 सेमी ^{-1 में} दिखाई देते हैं। जब कैफीन को MAPbI ₃ फिल्म में जोड़ा गया था, तो C = O की एक स्ट्रेचिंग शिफ्ट को 1.652 से 1.657 सेमी ^-1 तक कम आवृत्ति के साथ देखा गया था, जबकि कंपन मोड C = O द्वारा 1.699 सेमी ^-1 अपने मूल मूल्य को बरकरार रखता है। यह एक संकेत है कि एनाउंस करने के बाद कैफीन MAPbI ₃ फिल्म में मौजूद है और PVSK में Pb ²⁺ और कैफीन में C = O बॉन्ड में से एक के माध्यम से MAPbI _{3 के} साथ एक आदी हो सकता है।

पीवीएसके पर कैफीन के प्रभाव की पुष्टि करने के लिए, वैज्ञानिकों ने ऐडक्ट PbI ₂ -MAI-DMSO-caffeine का स्पेक्ट्रोस्कोपी किया, जिसमें 1652 से 16 सेमी सेमी ( 1C ) से C = O का विस्थापन बदलाव भी दिखा।

ये अवलोकन इस बात की पुष्टि करते हैं कि कैफीन और Pb ^{2+ आयनों} में C = O के बीच की सहभागिता एक आणविक द्वार बनाती है जो सक्रियण ऊर्जा को बढ़ाती है। और यह बदले में, पीवीएसके क्रिस्टल विकास प्रक्रिया को धीमा कर देती है, पीवीएसके फिल्मों के समग्र क्रिस्टलीयता में सुधार करता है। इसके अलावा, यह आणविक गेट संभवतः हीटिंग पर अमोर्फिस्ड पीवीएसके के साथ बातचीत करेगा, जो थर्मल अपघटन को रोक सकता है।


चित्र संख्या 2

छवि 2 ए एक पीवीएसके कैफीन फिल्म का एक क्रॉस-अनुभागीय एसईएम छवि है। फिल्म की गुणवत्ता और चार्ज पुनर्संयोजन की गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए स्थिर फोटोलुमिनेसेंस ( 2 बी ) और समय-निर्धारित फोटोलुमिनेसेंस ( 2 सी ) के क्षीणन में परिवर्तन किए गए। कैफीनयुक्त पीवीएसके फिल्म (काली रेखाएं) की फोटोलुमिनेंस तीव्रता कैफीन मुक्त फिल्मों (लाल रेखाओं) की तुलना में 6 गुना अधिक थी। 770 से 763 एनएम की एक नीली पारी भी नोट की गई थी, जो एक बार फिर पीवीएसके फिल्म की संरचना में कैफीन को शामिल करने के दौरान दोषों की संख्या में कमी की पुष्टि करती है।

फिर, इंडियम और टिन ऑक्साइड ( 2 डी ) के एक सब्सट्रेट पर जमा पीवीएसके फिल्म के क्रिस्टल संरचना का अध्ययन करने के लिए एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण किया गया था। और कैफीन के साथ और बिना फिल्मों के लिए, 12.5 पर कोई विवर्तन शिखर नहीं पाया गया, जो हेक्सागोनल पीबीआई ₂ के (001) विमानों से मेल खाता है। दोनों फिल्मों ने 13.9 पर जाली के एक प्रमुख (110) प्रतिबिंब के साथ एक ही टेट्रागोनल पीवीएसके चरण दिखाया, जो अध्ययन किए गए पीवीएसके फिल्मों के लिए एक उत्कृष्ट अभिविन्यास है। पीक इंटेंसिटी (110) का अनुपात 13.9 से शिखर की तीव्रता (222) 31.8 पर, जब कैफीन जोड़ा गया तो 2.00 से बढ़कर 2.43 हो गया। यह (110) अनाजों के तेजी से विकास को इंगित करता है जो बेतरतीब ढंग से उन्मुख अनाज को अवशोषित करते हैं।

अनाज के आकार को भी Scherrer सूत्र और (110) शिखर की आधी चौड़ाई का उपयोग करके मापा गया था। कैफीन की शुरुआत के साथ, अनाज का आकार 37.97 से बढ़कर 55.99 एनएम हो गया।

चित्र 2E हमें कैफीन (लाल रेखा) के बिना और कैफीन (काली रेखा) के साथ MAPbI ₃ फिल्मों के (110) विमान के साथ सामान्यीकृत अज़ीमुथल कोण का ग्राफ दिखाता है। 90 डिग्री के कोण पर, एक कैफीनयुक्त फिल्म एक डिकैफ़िनेटेड कैप्टिव की तुलना में काफी स्पष्ट शिखर दिखाती है। एक संकीर्ण आधे-चौड़ाई से पता चलता है कि विमान के साथ पीवीएसके अनाज के विकास में कैफीन का योगदान था, जो चार्ज ट्रांसफर में सुधार करता है।

वैज्ञानिकों ने तब क्षणिक फोटोकल ( टीपीसी ) और क्षणिक फोटोवोल्टिक वोल्टेज ( टीपीवी ) का विश्लेषण किया।

प्रायोगिक फोटोकल्स को निप प्लैनर संरचना को ध्यान में रखते हुए बनाया गया था, और इंडियम टिन ऑक्साइड (आईटीओ) ने एनोड के रूप में काम किया। बदले में, टिन ऑक्साइड नैनोकणों का उपयोग इलेक्ट्रॉन परिवहन परत के रूप में किया गया था। शुद्ध MAPbI ₃ और कैफीन युक्त MAPbI ₃ दोनों एक सक्रिय परत के रूप में काम करते हैं। छेद परिवहन परत की भूमिका (पॉजिटिव चार्ज के साथ क्सीपार्टिकल्स) पॉली [बीआईएस (4-फिनाइल) (2,4,6-ट्राइमेथाइलफेनिल) अमाइन] ([सी ₆ एच ₄ एन (सी _{6 2 2} (सीएच ₃ ) ₃ ) सी ₆ ) द्वारा निभाई गई थी। H ₄ ] _n ) 4-इसोप्रोपाइल -40-मिथाइलडिफेनिल-आयोडोनियम टेट्राकिस (पेंटाफ्लुरोफेनिल) बोरेट (C ₄₀ H ₁₈ BF ₂₀ I) के साथ डोप किया गया। कैथोड के लिए सिल्वर (एजी) का इस्तेमाल किया गया था।


चित्र संख्या 3

छवि 3 ए 100 एमएडब्ल्यू / सेमी ² की तीव्रता के साथ कृत्रिम सूरज एएम 1.5 जी का उपयोग करके प्राप्त शुद्ध एमएपीबीआई ₃ और एमएपीबीआई ₃ / कैफीन पर आधारित उपकरणों के जेवी घटता (वर्तमान घनत्व, एमए / सेमी ² ) को दर्शाता है। सिस्टम में शामिल कैफीन का प्रतिशत कुल द्रव्यमान का 0 से 2% तक था।

1% के लिए पेश किए गए कैफीन की मात्रा में वृद्धि के कारण कुछ विशेषताओं में वृद्धि हुई है, जैसे: ओपन सर्किट वोल्टेज (वी _{महासागर} ), शॉर्ट सर्किट करंट (J _sc ), कर्तव्य चक्र (FF), और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्यता।

शुद्ध (कैफीन-मुक्त) MAPbI ₃ की अधिकतम दक्षता (नीचे दी गई तालिका में PCE) 17.59% (V _oc : 1.074 V, J _sc : 22.29 mA / cm ² , FF: 73.46%) है। लेकिन जब सिस्टम में 1% कैफीन होता है, तो दक्षता सूचकांक 20.25% (वी _{महासागर} : 1.143 वी, जे _एससी : 22.97 एमएए / सेमी ² , एफएफ: 77.13%) तक पहुंच गया।

वैज्ञानिकों ने गैर-विकिरण पुनर्संयोजन और क्रिस्टलीय दोषों में कमी के लिए वी _{महासागर} और एफएफ में वृद्धि का श्रेय दिया है, जो कि कैफीन को प्रणाली में शामिल करने के कारण पारित होने का एक परिणाम है। पैरामीटर J _Sc भी 22.29 से बढ़कर 22.97 mA / cm ² (ग्राफ 3B ) हो गया।

सिस्टम के प्रदर्शन पर कैफीन के प्रभाव के अधिक विस्तृत अध्ययन के लिए, वैज्ञानिकों ने कैफीन के साथ और बिना सौर कोशिकाओं के चार्ज ट्रांसफर और चार्ज पुनर्संयोजन के कैनेटीक्स का तुलनात्मक विश्लेषण किया। विश्लेषण से पता चला ( 3 सी ) कि कैफीन (285 एमएस) के साथ डिवाइस के चार्ज पुनर्संयोजन (टी _आर ) का जीवनकाल कैफीन (157 एमएस) के बिना काफी लंबा था। यह इस प्रकार है कि दोषों की एकाग्रता बहुत कम है। इस मामले में, चार्ज ट्रांसफर टाइम (t _t ) जब डिवाइस में कैफीन जोड़ा गया था, 2.67 से घटकर 2.08 एमएस हो गया।


कैफीन की एकाग्रता के आधार पर संकेतक की तालिका।

थर्मल अपघटन की प्रक्रिया के दौरान सौर कोशिकाओं में कैफीन के आणविक शटर के प्रभाव की पुष्टि करने के लिए, वैज्ञानिकों ने लगातार थर्मल भार के प्रतिरोध के लिए एक परीक्षण किया: एक नाइट्रोजन माध्यम में 85 डिग्री सेल्सियस।

कैफीन युक्त डिवाइस ने उत्कृष्ट थर्मल स्थिरता दिखाई, 1300 घंटों के बाद मूल दक्षता का 86% हिस्सा बनाए रखा। लेकिन समान परिस्थितियों में डिकैफ़िनेटेड डिवाइस ने प्राथमिक दक्षता का केवल 60% ही बरकरार रखा। वैज्ञानिक इसे उच्च तापमान पर शुद्ध MAPbI ₃ में आयन प्रवासन, खराब क्रिस्टलीकरण, और चरण अस्थिरता का श्रेय देते हैं।


चित्र संख्या 4

वैज्ञानिकों को आयन प्रवास और चरण विघटन के संदर्भ में सौर कोशिकाओं के कामकाज पर कैफीन के प्रभाव को और अधिक विस्तार से समझने की आवश्यकता थी। इसके लिए, थर्मल स्थिरता परीक्षणों के बाद उपकरणों का एक एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण ( 4 बी ) किया गया।

कैफीन मुक्त डिवाइस ने 12.5 पर एक काफी बड़ी चोटी दिखाई, जो हेक्सागोनल पीआईआई _{2 के} विमान (001) से जुड़ा था। 13.9 पर बहुत कमजोर विवर्तन पीवीएसके क्रिस्टल के पूर्ण क्षरण का अर्थ है। लेकिन PbI _{2 के} विमान (003) के सापेक्ष 38.5 का अपेक्षाकृत मजबूत विवर्तन देखा गया।

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, कैफीन के अतिरिक्त पीवीएसके के बहुत अच्छे क्रिस्टलीय को हीटिंग के दौरान आयनों के प्रवास को रोकना चाहिए। कैफीन और adduct के थर्मोग्रैविमेट्रिक विश्लेषण को कैफीन की चरण स्थिरता और थर्मल गुणों और ऐडक्ट के मध्यवर्ती चरण को स्थापित करने के लिए किया गया था। ग्राफ 4C और 4D कैफीन, शुद्ध पीवीएसके और पीवीएसके + कैफीन के बड़े पैमाने पर नुकसान और गर्मी प्रवाह को दर्शाते हैं।

विश्लेषण से पता चला कि कैफीन लगभग 285 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर पूरी तरह से विघटित हो जाता है, जबकि यह 200 डिग्री सेल्सियस से नीचे के तापमान पर उत्कृष्ट थर्मल स्थिरता दिखाता है। ग्राफ 4 सी पर हम शुद्ध पीवीएसके के बड़े पैमाने पर नुकसान के तीन चरण देख सकते हैं: 70 डिग्री सेल्सियस, 340 डिग्री सेल्सियस और 460 डिग्री सेल्सियस। यह क्रमशः डीएमएसओ, एमएआई और पीबीआई _{2 के} उच्चीकरण के कारण है। PVSK + कैफीन के लिए MAI और PbI ₂ का उच्च तापमान काफी अधिक था, जो कैफीन और PVSK के बीच के बंधन को तोड़ने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता को दर्शाता है। यह कथन हीट फ्लक्स ( 4D ) के विश्लेषण द्वारा समर्थित है। इस प्रकार, कैफीन और पीवीएसके के बीच बंधन एक आणविक द्वार बनाता है, जो हीटिंग के दौरान आवश्यक क्षय सक्रियण ऊर्जा की दर को बढ़ाता है।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं दृढ़ता से अनुशंसा करता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट और इसके लिए अतिरिक्त सामग्रियों पर ध्यान दें।

उपसंहार

इस अध्ययन से पता चला है कि पीवीएसके सामग्री में कैफीन की शुरूआत उच्च दक्षता के साथ फोटोइलेक्ट्रिक कोशिकाओं को प्राप्त करने, आयन प्रवास को कम करने, दोषों की संख्या को कम करने और थर्मल स्थिरता को बढ़ाने की अनुमति देती है। पीवीएसके सामग्रियों का उपयोग बहुत पहले शुरू नहीं हुआ था, लेकिन पहले से ही सौर ऊर्जा की सबसे आशाजनक शाखा माना जाता है। और इसका मतलब है कि इस तकनीक के सभी पहलुओं में सुधार करना आवश्यक है यदि हम ऐसे उपकरण प्राप्त करना चाहते हैं जिनमें कम लागत पर उच्च प्रदर्शन होगा। यह काम सिर्फ इस पर सटीक रूप से लक्षित अनुसंधान से संबंधित है।

सौर कोशिकाओं के विकास में कैफीन का उपयोग एक मजाक की तरह लगता है, यह प्रयोगशाला में सुबह एक कप कॉफी पर एक मजाक था। लेकिन वैज्ञानिकों के साथ मजाक बुरा है, और कोई भी, यहां तक ​​कि सबसे अजीब विचार, यदि आप ज्ञान, सरलता और थोड़ा रचनात्मक दृष्टिकोण लागू करते हैं तो एक उत्कृष्ट परिणाम दे सकते हैं।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और एक अच्छा काम करने का सप्ताह है, दोस्तों।

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