ഭൂമിയുടെ ഉപരിതലത്തിലെ ഓരോ ഇഞ്ചിലും സൂര്യപ്രകാശം ഒഴുകി നടക്കുമ്പോൾ, ഈ പ്രപഞ്ച ദാനത്തെ കൂടുതൽ കാര്യക്ഷമതയോടെ എങ്ങനെ പ്രയോജനപ്പെടുത്താമെന്ന് മാനവികത നിരന്തരം ചിന്തിക്കുന്നു. ഈ ലക്ഷ്യം കൈവരിക്കുന്നതിനുള്ള നിർണായക വാഹനങ്ങളായി സോളാർ സെല്ലുകൾ നിലകൊള്ളുന്നു. നിരവധി ഫോട്ടോവോൾട്ടെയ്ക് വസ്തുക്കളിൽ, 'പെറോവ്‌സ്‌കൈറ്റ്' എന്ന പുതുമുഖം കഴിഞ്ഞ ദശകത്തിൽ പ്രശസ്തിയിലേക്ക് ഉയർന്നുവന്നിട്ടുണ്ട്, ആഗോള സൗരോർജ്ജ വ്യവസായത്തിലെ ഏറ്റവും ആവശ്യപ്പെടുന്ന 'മികച്ച പ്രകടനം' എന്ന നിലയിൽ അതിവേഗം മാറി. ഒരു പുതിയ സാങ്കേതിക തരംഗത്തിന് തിരികൊളുത്താനുള്ള അതിന്റെ കഴിവ് ഒരു പ്രധാന ഘടകത്തെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു: അതിന്റെ സൈദ്ധാന്തികമായി ഒപ്റ്റിമൽ 1.5 eV ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ്.

I. പെറോവ്‌സ്‌കൈറ്റ്: ഒരു പ്രാകൃത നാമം, എന്നാൽ ഭാവിയെക്കുറിച്ചുള്ള പ്രകടനം

ധാതുക്കളുടെ സ്വഭാവത്തെ സൂചിപ്പിക്കുന്ന ഈ പ്രത്യേക പേര് കേട്ട് തെറ്റിദ്ധരിക്കരുത്. പത്തൊൻപതാം നൂറ്റാണ്ടിൽ യുറൽ പർവതനിരകളിൽ നിന്ന് കണ്ടെത്തിയ ഒരു ധാതുവാണ് യഥാർത്ഥ പെറോവ്‌സ്‌കൈറ്റ് (CaTiO₃), എന്നാൽ ഇപ്പോൾ ഫോട്ടോവോൾട്ടെയ്ക് സമൂഹത്തിൽ വ്യാപകമായി ചർച്ച ചെയ്യപ്പെടുന്ന 'പെറോവ്‌സ്‌കൈറ്റ്' എന്ന പദം ഇനി ഒരു പ്രത്യേക ക്രിസ്റ്റലിനെ സൂചിപ്പിക്കുന്നില്ല. പകരം, ABX₃ ഘടനാപരമായ ചട്ടക്കൂട് പങ്കിടുന്ന വസ്തുക്കളുടെ ഒരു കുടുംബത്തെയാണ് ഇത് സൂചിപ്പിക്കുന്നത്.

ഈ ഘടനയെ ഒരു 'മോഡുലാർ ബിൽഡിംഗ് ബ്ലോക്ക്' സിസ്റ്റമായി സങ്കൽപ്പിക്കാം:

• ഒരു സൈറ്റ്: വലിയ കാറ്റയോണുകൾ (ഉദാ. MA, FA, Cs)
• ബി സൈറ്റ്: ലോഹ കാറ്റയോണുകൾ (ഉദാ. Pb, Sn)
• X സൈറ്റ്: ഹാലൈഡ് ആനയോണുകൾ (ഉദാ. I, Br, Cl)

ഇവയുടെ ഏത് സംയോജനവും വ്യത്യസ്തമായ ബാൻഡ്‌വിടവുകളും സ്ഥിരതയും നൽകുന്നു, ഇത് ഭൗതിക ലോകത്തിന്റെ 'സ്വതന്ത്ര രൂപ അസംബ്ലി'യാക്കി മാറ്റുന്നു.

ജൈവ-അജൈവ ഹൈബ്രിഡ് പെറോവ്‌സ്‌കൈറ്റുകൾ പ്രത്യേകിച്ചും ശ്രദ്ധേയമാണ്. മിയാസാക്കയുടെ സംഘം 2009-ൽ ആദ്യമായി അവരുടെ ഫോട്ടോവോൾട്ടെയ്‌ക് പ്രയോഗം പ്രദർശിപ്പിച്ചതിനുശേഷം, NREL രേഖപ്പെടുത്തിയതുപോലെ പരിവർത്തന കാര്യക്ഷമത 3.8% ൽ നിന്ന് 26%-ൽ കൂടുതലായി ഉയർന്നു, ടാൻഡം സെല്ലുകൾ 30% പരിധി കവിഞ്ഞു.

നിർണായകമായി, അവയുടെ നിർമ്മാണം സൗമ്യവും, ചെലവ് കുറഞ്ഞതും, ലളിതവുമാണ്, ഉയർന്ന താപനിലയിലുള്ള സിന്ററിംഗോ അൾട്രാ-ക്ലീൻ സൗകര്യങ്ങളോ ആവശ്യമില്ല, ഇത് അവയെ ഉയർന്ന വ്യാവസായികവൽക്കരണത്തിന് അനുയോജ്യമാക്കുന്നു.

തൽഫലമായി, സിലിക്കൺ സെല്ലുകൾക്ക് ശേഷമുള്ള 'മൂന്നാം തലമുറ ഫോട്ടോവോൾട്ടെയ്ക് സാങ്കേതികവിദ്യ' ആയി അവയെ കണക്കാക്കുന്നു.

II. സൗരോർജ്ജ ആഗിരണം ചെയ്യുന്നതിനുള്ള 'ഗോൾഡൻ ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ്' എന്ന് 1.5 eV വിളിക്കുന്നത് എന്തുകൊണ്ട്?

സൂര്യപ്രകാശം വ്യത്യസ്ത ഊർജ്ജങ്ങളുള്ള ഫോട്ടോണുകൾ ചേർന്ന ഒരു 'പ്രകാശ ഊർജ്ജത്തിന്റെ വെള്ളച്ചാട്ടം' പോലെയാണ്. ഈ ഫോട്ടോണുകളെ ഉപയോഗിച്ച് ഇലക്ട്രോണുകളെ ഉത്തേജിപ്പിക്കുകയും വൈദ്യുത പ്രവാഹം സൃഷ്ടിക്കുകയും ചെയ്യുക എന്നതാണ് സോളാർ സെല്ലുകളുടെ ചുമതല. എന്നിരുന്നാലും, ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് ഒപ്റ്റിമൽ പരിധിക്ക് പുറത്താണെങ്കിൽ, ഊർജ്ജം പാഴാകുന്നു.

ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് വളരെ വലുതാണെങ്കിൽ (> 2 eV):

ചുവപ്പ്, ഇൻഫ്രാറെഡ് രശ്മികൾക്ക് ആവശ്യത്തിന് ഊർജ്ജം ഇല്ല, ഇത് നേരിട്ട് മെറ്റീരിയലിലൂടെ കടന്നുപോകുകയും സുതാര്യത നഷ്ടപ്പെടുകയും ചെയ്യുന്നു.

ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് വളരെ ഇടുങ്ങിയതാണെങ്കിൽ (< 1 eV),

ഉയർന്ന ഊർജ്ജമുള്ള ഫോട്ടോണുകളിൽ നിന്നുള്ള അധിക ഊർജ്ജം താപമായി ചിതറുകയും താപ നഷ്ടത്തിന് കാരണമാവുകയും ചെയ്യുന്നു.

രണ്ട് എക്സ്ട്രീമുകളും ഒപ്റ്റിമൽ അല്ല.

ശാസ്ത്രജ്ഞർ സൈദ്ധാന്തികമായി കണക്കാക്കിയത്

ഏകദേശം 1.34–1.5 eV ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് ആഗിരണ കാര്യക്ഷമതയും താപ നഷ്ടങ്ങളും തമ്മിലുള്ള സന്തുലിതാവസ്ഥ പരമാവധിയാക്കുന്നു, ഇത് സോളാർ സെല്ലുകൾക്ക് അനുയോജ്യമായ 'മധുരമുള്ള സ്ഥലം' രൂപപ്പെടുത്തുന്നു.

ഈ ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പിൽ, ഫോട്ടോവോൾട്ടെയ്‌ക് കാര്യക്ഷമതയുടെ സൈദ്ധാന്തിക ഉയർന്ന പരിധി (ഷോക്ക്‌ലി–ക്വിസർ പരിധി) 33% കവിയാൻ സാധ്യതയുണ്ട്.

പെറോവ്‌സ്‌കൈറ്റ് വസ്തുക്കളുടെ ശ്രദ്ധേയമായ സവിശേഷത, ലളിതമായ മൂലക പകരത്തിലൂടെ ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് ക്രമീകരിക്കാനുള്ള അവയുടെ കഴിവിലാണ്:

Pb-യെ Sn ഉപയോഗിച്ച് മാറ്റിസ്ഥാപിക്കുന്നത് ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് കുറയ്ക്കുന്നു.

ഹാലൊജനുകൾ (I → Br → Cl) ക്രമീകരിക്കുന്നത് ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നു.

FA/MA/Cs മിശ്രണം ചെയ്യുന്നത് ക്രിസ്റ്റൽ സ്ഥിരതയെയും ഊർജ്ജ നിലകളെയും മികച്ച രീതിയിൽ ട്യൂൺ ചെയ്യുന്നു.

ഉദാഹരണത്തിന്, മാസ്റ്റർ മെറ്റീരിയലായ MAPbI₃ ന് ഏകദേശം 1.55 eV ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് ഉണ്ട്. Sn അല്ലെങ്കിൽ FA അവതരിപ്പിക്കുന്നത് ഇത് 1.35–1.4 eV ആയി ക്രമീകരിക്കുന്നു - സൈദ്ധാന്തിക ഒപ്റ്റിമലിന് അടുത്ത് - അതിന്റെ ബാൻഡ് ഘടന സൂര്യപ്രകാശത്തിന് അനുയോജ്യമായ രീതിയിൽ നിർമ്മിക്കുന്നു.

III. പെറോവ്‌സ്‌കൈറ്റ്: ശ്രദ്ധേയമായ കാര്യക്ഷമതയ്‌ക്കപ്പുറം, അതിന്റെ പ്രയോഗങ്ങൾ ഭാവനയെ വെല്ലുവിളിക്കുന്നു

പെറോവ്‌സ്‌കൈറ്റിന്റെ ശക്തികൾ കാര്യക്ഷമതയ്‌ക്കപ്പുറം അതിന്റെ ശ്രദ്ധേയമായ പ്ലാസ്റ്റിസിറ്റിയിലേക്ക് വ്യാപിക്കുന്നു:

• ഇത് സുതാര്യമായ സോളാർ ഗ്ലാസായി രൂപപ്പെടുത്താം.
• മുൻഭാഗങ്ങൾ നിർമ്മിക്കുന്നതിനായി വഴക്കമുള്ള ഫിലിമുകളായി നിർമ്മിച്ചത്
• ധരിക്കാവുന്ന ഉപകരണങ്ങളിലേക്കും കോം‌പാക്റ്റ് ഇലക്ട്രോണിക്സിലേക്കും സംയോജിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു
• കാര്യക്ഷമതയിലെ തടസ്സങ്ങൾ മറികടക്കാൻ ടാൻഡം സെല്ലുകളിൽ സിലിക്കണുമായി സംയോജിപ്പിക്കുന്നു.

2025 ആകുമ്പോഴേക്കും ചൈന ലോകത്തിലെ ആദ്യത്തെ പെറോവ്‌സ്‌കൈറ്റ് ഓൾ-സിനാരിയോ ഗ്രീൻ ഇലക്‌ട്രിസിറ്റി ഡെമോൺസ്‌ട്രേഷൻ പാർക്ക് സ്ഥാപിച്ചു. പ്രധാന ഗവേഷണ സ്ഥാപനങ്ങൾ കാര്യക്ഷമത റെക്കോർഡുകൾ തകർക്കുന്നത് തുടരുന്നു, ഇത് ലബോറട്ടറിയിൽ നിന്ന് വ്യവസായവൽക്കരണത്തിലേക്കുള്ള ഈ സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ ത്വരിതഗതിയിലുള്ള മാറ്റത്തെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു.

സ്ഥിരത, കാലാവസ്ഥാ പ്രതിരോധം, വലിയ തോതിലുള്ള ഉൽപ്പാദനം എന്നിവ ഇപ്പോഴും വെല്ലുവിളികളായി നിലനിൽക്കുന്നുണ്ടെങ്കിലും, ആഗോള ഊർജ്ജ സാങ്കേതിക മത്സരത്തിന്റെ കേന്ദ്രബിന്ദുവായി പെറോവ്‌സ്‌കൈറ്റ് മാറിയിരിക്കുന്നു എന്നത് നിഷേധിക്കാനാവാത്തതാണ്.

IV. 1.5 eV ഒരു പുതിയ യുഗത്തിലേക്കുള്ള വാതിൽ തുറക്കുന്നു

ഭാവിയിൽ, നിങ്ങൾ ഇവയ്ക്ക് സാക്ഷ്യം വഹിച്ചേക്കാം:

ഗ്ലാസ് പോലെ വ്യക്തമായ സുതാര്യമായ വൈദ്യുതി ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കുന്ന ജനാലകൾ

സ്റ്റിക്കറുകൾ പോലെ ഭാരം കുറഞ്ഞ അൾട്രാ-നേർത്ത ഫോട്ടോവോൾട്ടെയ്ക് ഫിലിമുകൾ

തുണി പോലെ വഴങ്ങുന്ന, വഴക്കമുള്ള സോളാർ തുണിത്തരങ്ങൾ

മേൽക്കൂരകൾ, ഭിത്തികൾ, ഇലക്ട്രോണിക് കേസിംഗുകൾ പോലും നിശബ്ദമായി 'പ്രകാശം ആഗിരണം ചെയ്ത് വൈദ്യുതി ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നു'

ഈ സയൻസ് ഫിക്ഷൻ സാഹചര്യങ്ങളെല്ലാം ആ തികഞ്ഞ 1.5 eV ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പിൽ നിന്നും പെറോവ്‌സ്‌കൈറ്റ് മെറ്റീരിയലിന്റെ വഴക്കമുള്ളതും ട്യൂൺ ചെയ്യാവുന്നതുമായ ഘടനാപരമായ ഗുണങ്ങളിൽ നിന്നുമാണ് ഉരുത്തിരിഞ്ഞത്.

ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പിന്റെ "സുവർണ്ണ പോയിന്റ്" ഉണർത്തിയ ഈ ഫോട്ടോവോൾട്ടെയ്ക് വിപ്ലവം, ഊർജ്ജ പരിവർത്തന തരംഗത്തിനിടയിൽ നിശബ്ദമായി ആരംഭിച്ചു കഴിഞ്ഞു.