मार्टिन ग्रीन की टीम: 'अंतरिक्ष में पेरोव्स्काइट' के प्रचार में न आएं — सिर्फ 100 चक्रों के बाद 20% हानि
विषय सूची
परिचय
एक आश्चर्यजनक तथ्य: पेरोव्स्काइट 'अंतरिक्ष सपने' की सबसे बड़ी बाधा ब्रह्मांडीय विकिरण नहीं है — यह तापमान का दर्जनों डिग्री का उतार-चढ़ाव है जो एक उपग्रह दिन में 15 बार पृथ्वी की परिक्रमा करते हुए झेलता है। लगभग वही उतार-चढ़ाव जो क्रिस्टलीय सिलिकॉन मॉड्यूल TC परीक्षण में झेलते हैं।
कुछ दिन पहले एक मित्र जो उपग्रह बिजली प्रणालियों पर काम करता है, ने मुझसे पूछा: 'आप PV वाले लोग हमेशा पेरोव्स्काइट की दक्षता के बारे में बात करते रहते हैं। क्या इसका उपयोग छोटे उपग्रहों पर किया जा सकता है? यह हल्का है, उच्च शक्ति घनत्व है।'
मैंने कहा: 'दक्षता देखने में जल्दबाजी न करें। क्या आप जानते हैं कि एक उपग्रह कक्षा में एक दिन में कितने तापीय आघात झेलता है?'
उसने कहा: 'क्या यह दिन में गर्म और रात में ठंडा नहीं होता?'
'हाँ, लेकिन क्या आप जानते हैं कि यह -80°C से +80°C तक कितनी तेजी से गर्म होता है?'
उसने सोचा: 'प्रति मिनट कुछ डिग्री?'
'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?'
'यह नहीं कर सकता। नेचर की एक सहयोगी पत्रिका में इसी पर एक नया पेपर है।'
यह पेपर (Energy & Environmental Science, DOI:10.1039/d5ee03704b) UNSW, कोरिया के KRICT, और UK के University of Surrey 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 तापीय आघात कक्ष में 100 चक्रों के लिए डाला ताकि देखा जा सके कि क्या बचता है।
मैं इसे सरल PV भाषा में समझाता हूं।
अंतरिक्ष में तापीय आघात आपकी कल्पना से कहीं अधिक कठोर है
निम्न पृथ्वी कक्षा (LEO, ऊंचाई 200-2000 किमी) में, एक उपग्रह पृथ्वी का लगभग 15 बार प्रतिदिन चक्कर लगाता है। प्रत्येक कक्षा सूर्य के प्रकाश से पृथ्वी की छाया और वापस सूर्य के प्रकाश में परिवर्तन से गुज़रती है।
यह प्रक्रिया कितनी तेज़ 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 धीमी है, लगभग 1.89°C/मिनट (क्योंकि ऊष्मा 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 मानकीकरण सहयोग) योग्यता सीमा और भी व्यापक है: -175°C से +125°C।
इसलिए इस पेपर ने निम्नलिखित त्वरित परीक्षण स्थिति (चित्र 2d) परिभाषित की:
तापमान सीमा: -80°C ↔ +80°C
रैंप दर: 16°C/मिनट
चक्रों की संख्या: 100
16°C/मिनट NOAA-21 मापी गई 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 वाले एकल-जंक्शन पेरोव्स्काइट सिस्टम 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 (चित्र 3a) देखें: 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 हो जाता है — संरचना "कांपने" लगती है।
अब 100 थर्मल शॉक चक्रों के बाद XRD (चित्र 3c-d) देखें:
| 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 फोर्स माइक्रोस्कोपी) को देखें जो सतह क्षमता मापता है (चित्र 4):
1% नमूना: तापीय आघात के बाद, अनाजों के बीच क्षमता अंतर बढ़ जाता है, जो दर्शाता है कि अनाज सीमाएं पुनर्संयोजन केंद्र बन जाती हैं
5% नमूना: तापीय आघात के बाद, क्षमता वितरण अधिक समान है और क्षति छोटी है
पेपर इसे मापने के लिए SPV (सतह फोटोवोल्टेज) का उपयोग करता है — SPV जितना अधिक होगा, फोटोजनरेटेड वाहक उतने ही बेहतर रूप से अलग होते हैं। 5% नमूने का SPV 1% नमूने से लगभग 1.5 गुना है।
कोशिकाओं में बनाया गया, कितना बचा है
उन्होंने एक पूर्ण कोशिका संरचना बनाई: ITO/SnO₂/पेरोव्स्काइट/PEAI/PTAA/Au, वैक्यूम-एनकैप्सुलेटेड और तापीय आघात कक्ष में डाला गया।
परिणाम (चित्र 5b):
| MAPbBr₃ सांद्रता | 1% | 5% |
|---|---|---|
| तापीय आघात के बाद दक्षता प्रतिधारण | ~62% | ~80% |
5% नमूना, -80°C ↔ +80°C के 100 चक्रों के तापीय आघात से बचने के बाद भी, अपनी लगभग 80% दक्षता बनाए रखा।
J-V वक्रों को देखें (चित्र 5c-d):
1% नमूना: Jsc और FF बुरी तरह गिर जाते 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-तरंगदैर्ध्य क्षेत्र (700-800nm) में थोड़ा घटता है — संभवतः इंटरफ़ेस तापीय 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 करके, उन्होंने कोशिकाओं को एक उच्च-ऊंचाई वाले गुब्बारे पर 35 किमी 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 अंतरिक्ष के निकट UV विकिरण और AM0 स्पेक्ट्रम का सामना करना पड़ता है।
परिणाम (चित्र 6f):
1% नमूना: ऊंचाई बढ़ने पर PCE धीरे-धीरे घटता है
5% नमूना: ऊंचाई बढ़ने पर 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 का Jsc वृद्धि ढलान केवल 0.00016 है, जबकि 5% नमूने का 0.00364 है — परिमाण के क्रम का अंतर।
यह दर्शाता है कि 1% नमूना गंभीर गैर-विकिरण पुनर्संयोजन से ग्रस्त है — फोटोजनित वाहक अनाज सीमा दोषों द्वारा निगल लिए जाते हैं, इससे पहले कि वे उभरें। KPFM SPV डेटा पहले ही इस परिणाम का संकेत दे चुका था।
उत्पादन लाइन इंजीनियरों के लिए निष्कर्ष
केवल दक्षता न देखें — देखें कि यह कितना सहन कर सकता है
यह पेपर एक ठोस परीक्षण ढांचा प्रस्तुत करता है: त्वरित उम्र बढ़ने के लिए 16°C/मिनट की तीव्र तापीय आघात 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 समस्याओं 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 जोड़ने से α चरण स्थिर होता है। लेकिन बहुत अधिक (7%) जोड़ने से PbI₂ अवक्षेपित होता है और स्थिति खराब हो जाती है।
यह एनकैप्सुलेंट फिल्म चयन के समान तर्क है — कोई सार्वभौमिक नुस्खा नहीं है, केवल एक 'संतुलन बिंदु' है। चयन करते समय, आप केवल 'यह है या नहीं' नहीं देख सकते — आपको 'कितना' देखना होगा।
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 तरंगदैर्ध्य में EQE गिरावट इंटरफ़ेस तापीय विस्तार बेमेल से मेल खाती है।
अच्छी विफलता विश्लेषण से आप प्रयोगशाला उपकरणों का उपयोग करके क्षेत्र के प्रदर्शन का पहले से अनुमान लगा सकते हैं।
क्रिस्टलीय सिलिकॉन की स्थिरता इसकी सबसे बड़ी खाई है
इस पेपर की परीक्षण स्थितियाँ देखें: -80°C से +80°C, 100 चक्र, 16°C/मिनट।
यह अभी भी ECSS मानक तक नहीं पहुँचता, लेकिन क्रिस्टलीय सिलिकॉन के लिए यह पहले से ही नियमित है। -40°C से +85°C तक TC200 (200 तापीय चक्र) परीक्षण में, यदि गिरावट 2% से अधिक होती है 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 वर्षों तक जीवित रहना होगा।
इंटरैक्टिव पोल
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संदर्भ जानकारी
शीर्षक: Towards space compatible perovskite solar cells: guidelines for thermal shock resilience and near space balloon testing
वर्ष: 2026
DOI: 10.1039/d5ee03704b
Ooitech का दृष्टिकोण
Ooitech का मानना है: अंतरिक्ष में पेरोव्स्काइट 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।
