கரிம சூரிய மின்கலங்களின் இடைமுக மாற்றத்திற்கான அவசியம் யாது?

மேற்பரப்பு ஆற்றல் (γ_s) தீர்வு செயல்முறையால் உருவாக்கப்பட்ட கரிம சூரிய மின்கலங்களில் மொத்த-ஹீட்டோரோஜங்க்ஷன் (BHJ- bulk-heterojunction) படங்களை உருவாக்குவதில் முக்கிய பங்கு வகிக்கிறது. BHJ படங்களின் தவறான தன்மையை கொடையாளிக்கும் ஏற்புக்கும் இடையே உள்ள மேற்பரப்பு ஆற்றலின் வேறுபாட்டால் கணிக்க முடியும். BHJ படங்களின் செங்குத்து பரவல் மற்றும் ஸ்டேக்கிங் நோக்குநிலை கீழே உள்ள இடைமுக அடுக்கில் உள்ள மேற்பரப்பு ஆற்றலால் கட்டுப்படுத்தப்படலாம். மெல்லிய படத்தின் மேற்பரப்பு ஆற்றல் பொதுவாக ஓவன்ஸ்-வென்ட் மாதிரியைப் பயன்படுத்தி தொடர்பு கோணத்தை அளவிடுவதன் மூலம் பெறப்படுகிறது.

இருப்பினும், இந்த அளவீட்டு முறை நானோ அளவிலான வரம்பில் மேற்பரப்பு ஆற்றல் பரவலை பிரதிபலிக்க முடியாது, மேலும் BHJ கட்டமைப்பில் நானோ அளவிலான ஸ்டேக்கிங் மற்றும் கட்டப் பிரிவை நேரடியாக விளக்க முடியாது.

சமீபத்தில், பேராசிரியர்கள் தலைமையில் ஒரு ஆராய்ச்சி குழு சீன அகாடமி ஆஃப் சயின்ஸின் (CAS) தேசிய அறிவியல் மையம் (NCNST)-யிலிருந்து ஜு ஹுய்கியோங், கியூ சியாஹோஹுய் மற்றும் ஜாங் யோங் ஆகியோர் கரிம சூரிய மின்கலங்களின் இடைமுக அடுக்கில் நானோ அளவிலான மேற்பரப்பு ஆற்றல் பரவலை ஒழுங்குபடுத்துவதை ஆராய ஒரு புதிய உத்தியை முன்மொழிந்தனர். இந்த ஆய்வானது ஜூலில் வெளியிடப்பட்டது.

ஆராய்ச்சியாளர்கள் AFM அடிப்படையிலான பீக்-ஃபோர்ஸ் நானோ அளவு மெக்கானிக்கல் மேப்பிங்ஸ் (PFQNM – Peak-Force Quantitative Nanomechanical Mappings) நுட்பத்தைப் பயன்படுத்தி கரிம சூரிய மின்கலங்களில் துளை கடத்தும் அடுக்குகளின் நானோ அளவிலான மேற்பரப்பு ஆற்றல் பரவலை வகைப்படுத்தினர். Poly3, 4-ethylenedioxythiophene: Polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)-இன் மேற்பரப்பு ஆற்றல் விநியோகத்தை MoS₂ நானோஷீட்களை பல்வேறு பக்க அளவுகள் மற்றும் PEDOT இன் பன்முகத்தன்மை மூலம் திறம்பட கட்டுப்படுத்த முடியும் என்பதை அவர்கள் கண்டறிந்தனர். மேற்பரப்பு ஆற்றலின் பன்முக விநியோகம் (HeD-SE- heterogeneous distribution of surface energy) மூலக்கூறு விநியோகம், படிக நோக்குநிலை மற்றும் செயலில் உள்ள அடுக்கின் கட்டப் பிரிவை மேலும் கட்டுப்படுத்தலாம்.

HeD-SE-ஆல் செயலில் உள்ள அடுக்கு அமைப்பை மேம்படுத்தியதன் காரணமாக, கரிம சூரிய மின்கலங்களின் செயல்திறன் மற்றும் நிலைத்தன்மை 18.27% சிறந்த  திறன் மாற்ற பயனுறுதிறன் (PCE- power conversion efficiency) மூலம் மேம்படுத்தப்பட்டது. தவிர, PCE-யின் விரிவாக்க விகிதம் BHJ-இல் Δγ களின் விரிவாக்கத்திற்கு விகிதாசாரமாக இருந்தது.

பேராசிரியர் ஜவின் குழு கரைசல்-பதப்படுத்தப்பட்ட கரிம சூரிய மின்கலங்களில் இடைமுகக் கையாளுதலுக்கு அர்ப்பணிக்கப்பட்டுள்ளது, மேலும் கரிம சூரிய மின்கலங்களில் மேற்பரப்பு ஆற்றல் கட்டுப்பாடு குறித்து தொடர்ச்சியான ஆய்வுகளை மேற்கொண்டுள்ளது. PEDOT:PSS-இல் WO_x நானோ துகள்களை இணைப்பதன் மூலம் ஆராய்ச்சியாளர்கள் முதலில் கரிம சூரிய மின்கலத்தில் 80% உயர் நிரப்பு காரணியை அடைந்தனர். பின்னர் அவர்கள் செயலில் உள்ள அடுக்கின் ஸ்டேக்கிங் நோக்குநிலை, கரிம சூரிய மின்கலங்களின் செயல்திறன் மற்றும் இடைமுக அடுக்கின் மேற்பரப்பு ஆற்றல் ஆகியவற்றுக்கு இடையேயான தொடர்புகளை ஆராய்ந்தனர். தலைகீழ் சாதனங்களில் எலக்ட்ரான் போக்குவரத்து அடுக்கைப் படிக்க இடைமுக மாற்றத்தின் உத்தி பயன்படுத்தப்பட்டது, மேலும் இது பெரோவ்ஸ்கைட் சூரிய மின்கலங்களில் பயன்படுத்தப்பட்டது. மேற்பரப்பு ஆற்றலை மாற்ற பயோபாலிமர் ஹெப்பரின் சோடியத்தைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம், பெரோவ்ஸ்கைட் சூரிய மின்கலங்களின் இடைமுகக் குறைபாடு PCE மற்றும் நிலைத்தன்மையின் மேம்பாடுகளுடன் செயலிழந்தது.

References:

• Cheng, P., & Zhan, X. (2016). Stability of organic solar cells: challenges and strategies. Chemical Society Reviews, 45(9), 2544-2582.
• Yin, Z., Wei, J., & Zheng, Q. (2016). Interfacial materials for organic solar cells: recent advances and perspectives. Advanced Science, 3(8), 1500362.
• Bi, S., Leng, X., Li, Y., Zheng, Z., Zhang, X., Zhang, Y., & Zhou, H. (2019). Interfacial modification in organic and perovskite solar cells. Advanced Materials, 31(45), 1805708.
• Menke, S. M., Ran, N. A., Bazan, G. C., & Friend, R. H. (2018). Understanding energy loss in organic solar cells: toward a new efficiency regime. Joule, 2(1), 25-35.
• Duan, L., & Uddin, A. (2020). Progress in stability of organic solar cells. Advanced Science, 7(11), 1903259.