ماخذ: cei.washington.edu/
پیرووسکائٹ کیا ہے؟
پیرووسکائٹ ایک ایسا مواد ہے جس کا کرسٹل ڈھانچہ معدنی کیلشیم ٹائٹینیم آکسائیڈ جیسا ہے، جو پہلی بار دریافت کیا گیا پیرووسکائٹ کرسٹل ہے۔ عام طور پر، پیرووسکائٹ مرکبات میں ایک کیمیائی فارمولا ABX ہوتا ہے۔3، جہاں 'A' اور 'B' کیشنز کی نمائندگی کرتے ہیں اور X ایک anion ہے جو دونوں سے منسلک ہوتا ہے۔ پیرووسکائٹ ڈھانچے بنانے کے لیے مختلف عناصر کی ایک بڑی تعداد کو ایک ساتھ ملایا جا سکتا ہے۔ اس ساختی لچک کا استعمال کرتے ہوئے، سائنس دان پیرووسکائٹ کرسٹل ڈیزائن کر سکتے ہیں تاکہ جسمانی، نظری اور برقی خصوصیات کی ایک وسیع اقسام ہو۔ پیرووسکائٹ کرسٹل آج الٹراساؤنڈ مشینوں، میموری چپس اور اب شمسی خلیوں میں پائے جاتے ہیں۔
پیرووسکائٹ کرسٹل ڈھانچے کا منصوبہ۔ (وکی میڈیا کامنز)
پیرووسکائٹس کی صاف توانائی کی ایپلی کیشنز
تمام فوٹو وولٹک شمسی خلیات سیمی کنڈکٹرز پر انحصار کرتے ہیں - توانائی کو روشنی سے بجلی میں تبدیل کرنے کے لیے - بجلی کے انسولیٹر جیسے شیشے اور دھاتی کنڈکٹرز جیسے کاپر کے درمیان درمیانی زمین میں موجود مواد۔ سورج سے آنے والی روشنی سیمی کنڈکٹر مواد میں الیکٹرانوں کو اکساتی ہے، جو الیکٹروڈ کو چلانے میں بہتی ہے اور برقی رو پیدا کرتی ہے۔
سلکان 1950 کی دہائی سے شمسی خلیوں میں استعمال ہونے والا بنیادی سیمی کنڈکٹر مواد رہا ہے، کیونکہ اس کی سیمی کنڈکٹنگ خصوصیات سورج کی کرنوں کے سپیکٹرم کے ساتھ اچھی طرح سیدھ میں آتی ہیں اور یہ نسبتاً بہت زیادہ اور مستحکم ہے۔ تاہم، روایتی سولر پینلز میں استعمال ہونے والے بڑے سلیکون کرسٹل کے لیے ایک مہنگے، کثیر قدمی مینوفیکچرنگ کے عمل کی ضرورت ہوتی ہے جس میں بہت زیادہ توانائی استعمال ہوتی ہے۔ ایک متبادل کی تلاش میں، سائنسدانوں نے پیرووسکائٹس کی ٹیون ایبلٹی کو استعمال کیا ہے تاکہ سیمی کنڈکٹرز کو سلیکون جیسی خصوصیات کے ساتھ بنایا جا سکے۔ پیرووسکائٹ سولر سیلز لاگت اور توانائی کے ایک حصے کے لیے سادہ، اضافی جمع کرنے کی تکنیک، جیسے پرنٹنگ کا استعمال کرتے ہوئے تیار کیے جا سکتے ہیں۔ پیرووسکائٹس کی ساختی لچک کی وجہ سے، انہیں سورج کے سپیکٹرم سے مثالی طور پر ملنے کے لیے بھی بنایا جا سکتا ہے۔
2012 میں، محققین نے پہلی بار دریافت کیا کہ روشنی کو جذب کرنے والی پرت کے طور پر لیڈ ہیلائیڈ پیرووسکائٹس کا استعمال کرتے ہوئے، 10 فیصد سے زیادہ روشنی فوٹوون سے الیکٹران کی تبدیلی کی افادیت کے ساتھ ایک مستحکم، پتلی فلم پیرووسکائٹ سولر سیل کیسے بنایا جائے۔ اس کے بعد سے، پیرووسکائٹ سولر سیلز کی سورج کی روشنی سے برقی طاقت کی تبدیلی کی کارکردگی آسمان کو چھو رہی ہے، جس میں لیبارٹری کا ریکارڈ 25.2 فیصد ہے۔ محققین پیرووسکائٹ سولر سیل کو روایتی سلکان سولر سیلز کے ساتھ جوڑ رہے ہیں - ان "سیلیکون پر پیرووسکائٹ" ٹینڈم سیلز کی ریکارڈ افادیت فی الحال 29.1% ہے (روایتی سلکان سیلز کے لیے 27% کے ریکارڈ کو عبور کر کے) اور تیزی سے بڑھ رہی ہے۔ سیل کی کارکردگی میں اس تیزی سے اضافے کے ساتھ، پیرووسکائٹ سولر سیل اور پیرووسکائٹ ٹینڈم سولر سیلز جلد ہی روایتی سلکان سولر سیلز کے سستے، انتہائی موثر متبادل بن سکتے ہیں۔
پیرووسکائٹ سولر سیل کا کراس سیکشن۔ (کلین انرجی انسٹی ٹیوٹ)
تحقیق کے کچھ موجودہ مقاصد کیا ہیں؟
جبکہ پیرووسکائٹ سولر سیل، بشمول سلیکون ٹینڈم پر پیرووسکائٹ، کو دنیا بھر میں درجنوں کمپنیوں کے ذریعے تجارتی بنایا جا رہا ہے، لیکن ابھی بھی سائنس اور انجینئرنگ کے بنیادی چیلنجز ہیں جن سے نمٹنے کے لیے ان کی کارکردگی، وشوسنییتا، اور پیداواری صلاحیت کو بہتر بنایا جا سکتا ہے۔
پیرووسکائٹ کے کچھ محققین پیرووسکائٹ میں نقائص کی نشاندہی کرکے تبادلوں کی افادیت کو آگے بڑھاتے رہتے ہیں۔ اگرچہ پیرووسکائٹ سیمی کنڈکٹرز نمایاں طور پر نقص برداشت کرنے والے ہوتے ہیں، نقائص اب بھی - منفی طور پر کارکردگی کو متاثر کرتے ہیں - خاص طور پر وہ جو فعال پرت کی سطح پر واقع ہوتے ہیں۔ دوسرے محققین نئے پیرووسکائٹ کیمیائی فارمولیشنز کی تلاش کر رہے ہیں، دونوں مخصوص ایپلی کیشنز (جیسے ٹینڈم سیل اسٹیک) کے لیے اپنی الیکٹرانک خصوصیات کو ٹیون کرنے کے لیے، یا ان کے استحکام اور زندگی کو مزید بہتر بنانے کے لیے۔
محققین نئے سیل ڈیزائنز پر بھی کام کر رہے ہیں، پیرووسکائٹس کو ماحول سے بچانے کے لیے نئی انکیپسولیشن کی حکمت عملیوں، اور بنیادی انحطاط کے راستوں کو سمجھنے کے لیے تاکہ وہ تیز رفتار عمر کے مطالعے کا استعمال کر سکیں تاکہ یہ اندازہ لگایا جا سکے کہ پیرووسکائٹ شمسی خلیے چھتوں پر کیسے قائم رہیں گے۔ دوسرے تیزی سے مختلف قسم کے مینوفیکچرنگ کے عمل کو تلاش کر رہے ہیں، بشمول پیرووسکائٹ "انکس" کو بڑے پیمانے پر حل پرنٹنگ کے طریقوں کے مطابق کیسے ڈھالنا ہے۔ آخر میں، جب کہ آج بہترین کارکردگی کا مظاہرہ کرنے والی پیرووسکائٹس تھوڑی مقدار میں سیسہ کے ساتھ بنائی گئی ہیں، محققین متبادل مرکبات اور نئی انکیپسولیشن حکمت عملیوں کو بھی تلاش کر رہے ہیں، تاکہ لیڈ کے زہریلے پن سے متعلق خدشات کو کم کیا جا سکے۔
CEI پیرووسکائٹس کو کیسے آگے بڑھا رہا ہے؟
پیرووسکائٹ کرسٹل اکثر جوہری پیمانے پر نقائص کی نمائش کرتے ہیں جو شمسی تبادلوں کی کارکردگی کو کم کر سکتے ہیں۔ سی ای آئی کے چیف سائنٹسٹ اور کیمسٹری کے پروفیسر ڈیوڈ جنگرہس نے ان نقائص کو دور کرنے کے لیے مختلف کیمیائی مرکبات کے ساتھ پیرووسکائٹس کا علاج کرتے ہوئے "پاسیویشن" کی تکنیک تیار کی۔ لیکن جب پیرووسکائٹ کرسٹل شمسی خلیوں میں جمع ہوتے ہیں، تو موجودہ جمع کرنے والے الیکٹروڈ اضافی نقائص پیدا کر سکتے ہیں۔ 2019 میں، جنجر اور جارجیا ٹیک کے تعاون کاروں نے امریکی محکمہ توانائی کے سولر انرجی ٹیکنالوجیز آفس (SETO) سے نئی گزرنے کی حکمت عملیوں اور نئے چارج اکٹھا کرنے والے مواد کو تیار کرنے کے لیے فنڈنگ حاصل کی، جس سے پیرووسکائٹ سولر سیل اپنی مکمل کارکردگی کی صلاحیت تک پہنچنے کی اجازت دیتے ہوئے ابھی تک مطابقت رکھتے ہیں۔ کم لاگت مینوفیکچرنگ کے ساتھ.
کیمسٹری کے پروفیسر ڈینیئل گیملین اور ان کے گروپ کا مقصد روایتی سلکان سیلز کے لیے 33٪ تبدیلی کی نظریاتی حد کو نظرانداز کرتے ہوئے، نیلی روشنی کے اعلیٰ توانائی والے فوٹون کو زیادہ موثر انداز میں جمع کرنے کے لیے پیرووسکائٹ کوٹنگز کے ساتھ سلیکون سولر سیلز میں ترمیم کرنا ہے۔ گیملن اور ان کی ٹیم نے پیرووسکائٹ کوانٹم ڈاٹس تیار کیے ہیں - انسانی بالوں سے ہزاروں گنا چھوٹے چھوٹے ذرات - جو اعلی توانائی والے فوٹونز کو جذب کرسکتے ہیں اور کم توانائی والے فوٹونز سے دوگنا اخراج کرسکتے ہیں، اس عمل کو "کوانٹم کٹنگ" کہا جاتا ہے۔ شمسی سیل کے ذریعے جذب ہونے والا ہر فوٹوون ایک الیکٹران پیدا کرتا ہے، لہذا پیرووسکائٹ کوانٹم ڈاٹ کوٹنگ ڈرامائی طور پر تبادلوں کی افادیت کو بڑھا سکتی ہے۔
گیملن اور ان کی ٹیم نے ٹیکنالوجی کو تجارتی بنانے کے لیے بلیو ڈاٹ فوٹونیک نامی اسپن آف کمپنی بنائی ہے۔ SETO سے فنڈنگ کے ساتھ، Gamelin اور BlueDot بڑے رقبے والے شمسی خلیوں کے لیے اور روایتی سلکان سولر سیلز کو بڑھانے کے لیے پیرووسکائٹ مواد کی پتلی فلمیں بنانے کے لیے جمع کرنے کی تکنیک تیار کر رہے ہیں۔
کیمیکل انجینئرنگ کے پروفیسر ہیو ہل ہاؤس پیرووسکائٹس کی تحقیق میں مدد کے لیے مشین لرننگ الگورتھم استعمال کر رہے ہیں۔ تیز رفتار ویڈیو کے ذریعے حاصل کی گئی فوٹو لومینیسینس کا استعمال کرتے ہوئے، ہل ہاؤس اور اس کا گروپ طویل مدتی استحکام کے لیے متعدد ہائبرڈ پیرووسکائٹس کی جانچ کر رہے ہیں۔ یہ تجربات بہت زیادہ ڈیٹا سیٹ تیار کرتے ہیں، لیکن مشین لرننگ کا استعمال کرتے ہوئے، ان کا مقصد پیرووسکائٹ سولر سیلز کے لیے انحطاط کا پیش قیاسی ماڈل تیار کرنا ہے۔ یہ ماڈل طویل مدتی استحکام کے لیے پیرووسکائٹ سولر سیل کے کیمیائی میک اپ اور ڈھانچے کو بہتر بنانے میں ان کی مدد کر سکتا ہے - کمرشلائزیشن میں ایک اہم رکاوٹ۔
The Washington Clean Energy Testbeds میں، CEI کی طرف سے چلائی جانے والی ایک کھلی رسائی لیب کی سہولت، محققین اور کاروباری حضرات جدید ترین آلات کا استعمال کر سکتے ہیں تاکہ پیرووسکائٹ سولر سیلز جیسی ٹیکنالوجیز کو تیار، جانچ اور پیمانے پر تیار کیا جا سکے۔ ٹیسٹ بیڈز پر رول ٹو رول پرنٹر کا استعمال کرتے ہوئے، پیرووسکائٹ سیاہی کو کم درجہ حرارت پر لچکدار سبسٹریٹس پر پرنٹ کیا جا سکتا ہے۔ ٹیسٹ بیڈز تکنیکی ڈائریکٹر جے۔ ڈیوین میک کینزی، مواد سائنس کے پروفیسر& UW میں انجینئرنگ اور مکینیکل انجینئرنگ، ہائی تھرو پٹ اور کم کاربن فوٹ پرنٹ مینوفیکچرنگ کے لیے مواد اور تکنیک کا ماہر ہے۔ ان کے گروپ کے سب سے زیادہ فعال منصوبوں میں سے ایک، جسے SETO کی طرف سے بھی مالی اعانت فراہم کی جاتی ہے، ایسے آلات تیار کر رہا ہے جو پیرووسکائٹ کرسٹل کی نمو کی پیمائش کر سکتے ہیں کیونکہ وہ رول ٹو رول پرنٹنگ کے دوران تیزی سے جمع ہو رہے ہیں۔ ریسرچ آف ارتھ ایبنڈنٹ میٹریلز (JCDREAM)، میک کینزی کا گروپ نئے الیکٹروڈ تیار کرنے کے لیے دنیا کے اعلیٰ ترین ریزولوشن پرنٹر کا بھی استعمال کر رہا ہے تاکہ سورج کی روشنی کو سیل میں داخل ہونے سے روکے بغیر پیرووسکائٹ سولر سیلز سے برقی کرنٹ نکالا جا سکے۔
واشنگٹن کلین انرجی ٹیسٹ بیڈز کے ٹیکنیکل ڈائریکٹر جے ڈیون میک کینزی لچکدار الیکٹرانکس کے لیے ٹیسٹ بیڈز کے ملٹی اسٹیج رول ٹو رول پرنٹر کا مظاہرہ کرتے ہوئے۔ (کلین انرجی انسٹی ٹیوٹ)