अंतरिक्ष में पेरोव्स्काइट पर मार्टिन ग्रीन की टीम: 20% नुकसान
विषय-सूची
त्वरित उत्तर: मार्टिन ग्रीन के समूह के शोध ने अंतरिक्ष में पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाओं के बारे में एक आम धारणा को नया रूप दे दिया है। अंतरिक्ष फोटोवोल्टिक्स के लिए सबसे अधिक उद्धृत बाधा ब्रह्मांडीय विकिरण है, लेकिन यहाँ मापन इसके बजाय तापमान चक्रण की ओर इशारा करते हैं: कक्षा में एक पेरोव्स्काइट सेल लगभग 80 °C शिखर से −80 °C तक झूलता है, और सामग्री उस सीमा को विकिरण वातावरण की तुलना में उतनी अच्छी तरह सहन नहीं करती। NOAA-21 के उपग्रह डेटा ने तापमान भिन्नताएँ दर्ज कीं, जिनमें छोटी अवधियों में लगभग 6.77 °C और 16 °C के झूलों सहित, और विश्लेषण इनकी तुलना 1.89 °C और 1.67 °C के निकट विकिरण-शीतलन आंकड़ों से करता है। व्यावहारिक निष्कर्ष यह है कि पेरोव्स्काइट अंतरिक्ष विकास का लक्ष्य पहले तापीय स्थिरता होना चाहिए। स्थलीय निर्माण के लिए, यही नाजुकता ही है जो पेरोव्स्काइट टैंडेम सेल के लिए लैमिनेशन और एनकैप्सुलेंट विंडो को सिलिकॉन की तुलना में अधिक संकीर्ण बनाती है।
PV मॉड्यूल निर्माण · Jerry, Ooitech द्वारा
परिचय
एक आश्चर्यजनक तथ्य: पेरोव्स्काइट के 'अंतरिक्ष सपने' की सबसे बड़ी बाधा ब्रह्मांडीय विकिरण नहीं है — बल्कि तापमान में दर्जनों डिग्री का उतार-चढ़ाव है जो एक उपग्रह को पृथ्वी की 15 बार परिक्रमा करने पर झेलना पड़ता है। लगभग वही उतार-चढ़ाव जो क्रिस्टलीय सिलिकॉन मॉड्यूल को TC परीक्षण में झेलना पड़ता है।
कुछ दिन पहले उपग्रह बिजली प्रणालियों पर काम करने वाले एक मित्र ने मुझसे पूछा: "आप PV वाले हमेशा कहते रहते हैं कि पेरोव्स्काइट कितना कुशल है। क्या इसे छोटे उपग्रहों पर इस्तेमाल किया जा सकता है? यह हल्का है, उच्च शक्ति घनत्व वाला है।"
मैंने कहा: "दक्षता देखने में जल्दबाजी मत करो। क्या तुम्हें पता है कि एक उपग्रह कक्षा में एक दिन में कितने तापीय आघात झेलता है?"
उसने कहा: "क्या यह सिर्फ दिन में गर्म और रात में ठंडा नहीं होता?"
"हाँ, लेकिन क्या तुम्हें पता है कि यह -80°C से +80°C तक कितनी तेजी से गर्म होता है?"
उसने सोचा: "कुछ डिग्री प्रति मिनट?"
"मापा गया डेटा: 6.77°C प्रति मिनट। कुछ प्रयोगशालाएं, अंतरिक्ष वातावरण का अनुकरण करने के लिए, इसे सीधे 16°C प्रति मिनट तक बढ़ा देती हैं।"
वह रुका: "क्या पेरोव्स्काइट इसे संभाल सकता है?"
"नहीं। नेचर की एक सहयोगी पत्रिका में एक बिल्कुल नया पेपर है जो ठीक इसी का अध्ययन करता है।"
यह पेपर (Energy & Environmental Science, DOI:10.1039/d5ee03704b) UNSW, कोरिया के KRICT, और यूके के यूनिवर्सिटी ऑफ सरे के बीच एक सहयोग है। उन्होंने वास्तविक उपग्रह डेटा का उपयोग करके एक परीक्षण मानक परिभाषित किया, फिर पेरोव्स्काइट को -80°C से +80°C तक के तापीय आघात कक्ष में 100 चक्रों के लिए डाला ताकि देखा जा सके कि क्या बचता है।
मुझे इसे सरल PV भाषा में समझाने दीजिए।
अंतरिक्ष में तापीय आघात आपके विचार से कहीं अधिक कठोर है
निम्न पृथ्वी कक्षा (LEO, ऊंचाई 200-2000 किमी) में, एक उपग्रह पृथ्वी की परिक्रमा दिन में लगभग 15 बार करता है। प्रत्येक परिक्रमा सूर्य के प्रकाश से पृथ्वी की छाया में और फिर सूर्य के प्रकाश में वापस जाने के बीच परिवर्तन से गुजरती है।
यह प्रक्रिया कितनी तेज है?
चित्र 2c देखें: NOAA-21 उपग्रह से मापा गया डेटा — छाया से सूर्य के प्रकाश में जाने पर, तापन दर 6.77°C/मिनट है। सूर्य के प्रकाश से छाया में जाने पर, शीतलन दर अधिक हल्की है, लगभग 1.89°C/मिनट (क्योंकि गर्मी विकिरण द्वारा नष्ट होती है, जो धीमी है)।
यह दर जमीनी स्तर के IEC 61215 मानक द्वारा आवश्यक 1.67°C/मिनट से 4 गुना तेज़ है।
उपग्रह की सतह का तापमान सीमा -90°C से +80°C (चित्र 1b) मापी गई है। ECSS (यूरोपीय अंतरिक्ष सहयोग मानकीकरण) योग्यता सीमा और भी व्यापक है: -175°C से +125°C।
इसलिए इस पेपर ने निम्नलिखित त्वरित परीक्षण स्थिति परिभाषित की (चित्र 2d):
तापमान सीमा: -80°C ↔ +80°C
चढ़ाई दर: 16°C/मिनट
चक्रों की संख्या: 100
16°C/मिनट NOAA-21 मापित दर से 2.4 गुना है। यह अब "सिमुलेशन" नहीं है — यह त्वरित उम्र बढ़ना है, जो सामग्री की कमजोरियों को तेज़ी से उजागर करने के लिए कठोर परिस्थितियों का उपयोग करता है।
थर्मल शॉक के तहत पेरोव्स्काइट का क्या होता है
उन्होंने जिस सामग्री का उपयोग किया वह FAPbI₃ है, जो उपलब्ध उच्चतम दक्षता वाली एकल-जंक्शन पेरोव्स्काइट प्रणालियों में से एक है (प्रयोगशाला दक्षता >27%)। लेकिन FAPbI₃ में एक घातक कमजोरी है: यह कमरे के तापमान पर मेटास्टेबल है और आसानी से α चरण (काला, अत्यधिक सक्रिय) से δ चरण (पीला, निष्क्रिय) में बदल जाता है।
α चरण को स्थिर करने के लिए, आमतौर पर थोड़ा MAPbBr₃ मिलाया जाता है। पेपर ने पांच सांद्रता का परीक्षण किया: 0%, 1%, 3%, 5%, और 7%।
आणविक गतिशीलता सिमुलेशन देखें (चित्र 3a): FAPbI₃ को -80°C से 80°C तक गर्म करने पर, जालक स्थिरांक बढ़ता है, PbI₆ अष्टफलक झुकने लगते हैं, और FA आयन विस्थापन तीव्र होता है — संरचना "कांप रही है।"
अब 100 थर्मल शॉक चक्रों के बाद XRD देखें (चित्र 3c-d):
| MAPbBr₃ सांद्रता | 0% | 1% | 3% | 5% | 7% |
|---|---|---|---|---|---|
| थर्मल शॉक के बाद परिवर्तन | बड़ी मात्रा में δ चरण दिखाई देता है | स्थिर | स्थिर | स्थिर | PbI₂ बढ़ता है |
निष्कर्ष: थोड़ा (1-5%) मिलाने से α चरण स्थिर होता है, लेकिन बहुत अधिक (7%) मिलाने से PbI₂ अवक्षेपित होता है, जो वास्तव में बदतर है।
अब KPFM (केल्विन प्रोब बल माइक्रोस्कोपी) द्वारा सतह क्षमता मापन देखें (चित्र 4):
1% नमूना: थर्मल शॉक के बाद, अनाज के बीच क्षमता अंतर बढ़ता है, जो दर्शाता है कि अनाज की सीमाएं पुनर्संयोजन केंद्र बन जाती हैं
5% नमूना: थर्मल शॉक के बाद, क्षमता वितरण अधिक समान है और क्षति कम है
पेपर इसे मापने के लिए SPV (सतह फोटोवोल्टेज) का उपयोग करता है — SPV जितना अधिक होगा, प्रकाश-उत्पन्न वाहक उतने ही बेहतर ढंग से अलग होंगे। 5% नमूने का SPV 1% नमूने का लगभग 1.5 गुना है।
कोशिकाओं में बनाया गया, कितना बचा है
उन्होंने एक पूर्ण कोशिका संरचना बनाई: ITO/SnO₂/perovskite/PEAI/PTAA/Au, वैक्यूम-एनकैप्सुलेटेड और थर्मल शॉक चैंबर में डाल दिया।
परिणाम (चित्र 5b):
| MAPbBr₃ सांद्रता | 1% | 5% |
|---|---|---|
| थर्मल शॉक के बाद दक्षता प्रतिधारण | ~62% | ~80% |
5% नमूना, -80°C ↔ +80°C थर्मल शॉक के 100 चक्रों से बचने के बाद, अभी भी अपनी दक्षता का लगभग 80% बनाए रखा।
J-V वक्र देखें (चित्र 5c-d):
1% नमूना: Jsc और FF बुरी तरह गिरते हैं
5% नमूना: वक्र आकार बहुत बेहतर संरक्षित है
EQE (चित्र 5e-f) इसकी पुष्टि करता है: 1% नमूना पूरे बैंड में गिरता है, जबकि 5% नमूना केवल लंबी-तरंग दैर्ध्य क्षेत्र (700-800nm) में थोड़ा घटता है — संभवतः इंटरफ़ेस थर्मल विस्तार बेमेल के कारण।
35 किमी ऊंचाई पर यह कैसा प्रदर्शन करता है
प्रयोगशाला परीक्षणों के बाद, उन्हें कुछ वास्तविक चाहिए था। इटली में पीसा विश्वविद्यालय के साथ साझेदारी करते हुए, उन्होंने कोशिकाओं को एक उच्च-ऊंचाई वाले गुब्बारे पर 35 किमी की ऊंचाई तक भेजा (चित्र 6a)।
इस ऊंचाई पर, वायुमंडलीय दबाव जमीनी स्तर का केवल 2% है, वायु घनत्व 1.5% है, तापमान -40°C तक पहुंच सकता है, और कोशिकाओं को निकट-अंतरिक्ष यूवी विकिरण और AM0 स्पेक्ट्रम का सामना करना पड़ता है।
परिणाम (चित्र 6f):
1% नमूना: ऊंचाई बढ़ने के साथ PCE धीरे-धीरे घटता है
5% नमूना: ऊंचाई बढ़ने के साथ PCE वास्तव में बढ़ता है
5% नमूना उच्च ऊंचाई पर बेहतर प्रदर्शन क्यों करता है? जैसे-जैसे ऊंचाई बढ़ती है, विकिरण बढ़ता है और Jsc रैखिक रूप से बढ़ना चाहिए। लेकिन 1% नमूने की Jsc वृद्धि ढलान केवल 0.00016 है, जबकि 5% नमूने की 0.00364 है — एक परिमाण के क्रम का अंतर।
यह दर्शाता है कि 1% नमूना गंभीर गैर-विकिरणीय पुनर्संयोजन से ग्रस्त है — फोटोजनित वाहक अनाज सीमा दोषों द्वारा निगल लिए जाते हैं इससे पहले कि वे उभरें। KPFM SPV डेटा ने पहले ही इस परिणाम का पूर्वाभास कर दिया था।
उत्पादन लाइन इंजीनियरों के लिए मुख्य बातें
केवल दक्षता न देखें — देखें कि यह कितना सहन कर सकता है
यह पेपर एक ठोस परीक्षण ढांचा प्रदान करता है: त्वरित उम्र बढ़ने के लिए 16°C/मिनट तीव्र थर्मल शॉक का उपयोग करें, फिर निकट-अंतरिक्ष सत्यापन के लिए उच्च-ऊंचाई वाले गुब्बारे का उपयोग करें।
हम उपग्रह नहीं बनाते, लेकिन यह दृष्टिकोण स्थानांतरित होता है — नई सामग्रियों और नई प्रक्रियाओं का मूल्यांकन करते समय, इंटरफ़ेस और अनाज सीमा मुद्दों को जल्दी उजागर करने के लिए तेज़ तापमान रैंप दरों का उपयोग करने पर विचार करें।
स्थिरीकरण विधियाँ नई समस्याएँ ला सकती हैं
FAPbI₃ में MAPbBr₃ मिलाने से α चरण स्थिर होता है। लेकिन बहुत अधिक (7%) मिलाने से PbI₂ अवक्षेपित हो जाता है और स्थिति और खराब हो जाती है।
यह वही तर्क है जो एनकैप्सुलेंट फ़िल्म चयन में है — कोई सार्वभौमिक नुस्खा नहीं है, केवल एक "संतुलन बिंदु" है। चयन करते समय, आप केवल यह नहीं देख सकते कि "यह मौजूद है या नहीं" — आपको यह देखना होगा कि "कितना।"
प्रयोगशाला डेटा और उच्च-ऊंचाई डेटा मेल खाते हैं
इस पेपर का सबसे ठोस हिस्सा यह है कि KPFM द्वारा मापा गया SPV अंतर Jsc ढलान अंतर की भविष्यवाणी कर सकता है, और लंबी तरंग दैर्ध्य में EQE गिरावट इंटरफ़ेस थर्मल विस्तार बेमेल से मेल खाती है।
अच्छा विफलता विश्लेषण आपको क्षेत्र प्रदर्शन की पहले से भविष्यवाणी करने के लिए प्रयोगशाला उपकरणों का उपयोग करने में सक्षम बनाता है।
क्रिस्टलीय सिलिकॉन की स्थिरता इसकी सबसे बड़ी सुरक्षा है
इस पेपर की परीक्षण स्थितियों को देखें: -80°C से +80°C, 100 चक्र, 16°C/मिनट।
यह अभी भी ECSS मानक तक नहीं पहुँचता है, लेकिन यह क्रिस्टलीय सिलिकॉन के लिए पहले से ही नियमित है। TC200 (200 थर्मल चक्र) परीक्षण में -40°C से +85°C तक, यदि गिरावट 2% से अधिक हो तो क्रिस्टलीय सिलिकॉन विफल हो जाता है।
पेरोव्स्काइट को क्रिस्टलीय सिलिकॉन को बदलने के लिए, केवल दक्षता में पकड़ना पर्याप्त नहीं है — इसे समान परीक्षण मानकों के तहत 25 साल तक जीवित रहना होगा।
इंटरैक्टिव पोल
क्या आप पेरोव्स्काइट के अंतरिक्ष में जाने पर विश्वास करते हैं?
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संदर्भ जानकारी
शीर्षक: अंतरिक्ष-संगत पेरोव्स्काइट सौर सेल की ओर: थर्मल शॉक लचीलापन और निकट-अंतरिक्ष गुब्बारा परीक्षण के लिए दिशानिर्देश
वर्ष: 2026
DOI: 10.1039/d5ee03704b
Ooitech का दृष्टिकोण
Ooitech का मानना है: पेरोव्स्काइट का अंतरिक्ष का मार्ग दक्षता का पीछा करने पर नहीं, बल्कि कठोर थर्मल शॉक चक्रण से बचने पर निर्भर करता है — और वह सहनशक्ति, न कि कच्ची दक्षता, सौर सेल के मूल्य का वास्तविक माप है।
