फेज पृथक्करण के विरुद्ध मिश्रित-हैलाइड पेरोव्स्काइट्स का थर्मोडायनामिक स्थिरीकरण

विषय सूची

1. परिचय

धातु हैलाइड पेरोव्स्काइट अर्धचालकों ने उच्च अवशोषण गुणांक, कम ट्रैप घनत्व और बैंडगैप समायोज्यता सहित अपने असाधारण गुणों के साथ ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स में क्रांति ला दी है। मिश्रित-हैलाइड पेरोव्स्काइट्स MAPb(I_1-xBr_x)₃ 1.6 eV (शुद्ध आयोडाइड) से 2.3 eV (शुद्ध ब्रोमाइड) तक की बैंडगैप प्रदान करते हैं, जो उन्हें टैंडम सौर सेल और रंग-समायोज्य एलईडी के लिए आदर्श बनाते हैं। हालाँकि, ये सामग्रियाँ प्रकाश-प्रेरित हैलाइड पृथक्करण से ग्रस्त हैं, जहाँ आयोडाइड-युक्त और ब्रोमाइड-युक्त डोमेन बनते हैं, जो पुनर्संयोजन केंद्रों का निर्माण करके उपकरण प्रदर्शन को कम कर देते हैं।

2. प्रायोगिक विधियाँ

2.1 दबाव-निर्भर क्षणिक अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी

हमने परिवेश से 0.3 GPa तक के हाइड्रोस्टेटिक दबावों के तहत अल्ट्राफास्ट क्षणिक अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी (TAS) का उपयोग किया। फोटोलुमिनेसेंस माप के विपरीत, TAS पृथक्करण के दौरान आयोडाइड-युक्त और ब्रोमाइड-युक्त दोनों डोमेन के निर्माण को एक साथ ट्रैक करने में सक्षम बनाता है, जो फेज पृथक्करण गतिशीलता में व्यापक अंतर्दृष्टि प्रदान करता है।

2.2 धनायन प्रतिस्थापन के माध्यम से रासायनिक संपीड़न

रासायनिक संपीड़न मिथाइलअमोनियम धनायनों को छोटे धनायनों से प्रतिस्थापित करके प्राप्त किया गया, जिससे बाहरी दबाव के बिना क्रिस्टल आयतन प्रभावी रूप से कम हो गया। यह दृष्टिकोण सामग्री अखंडता को बनाए रखते हुए भौतिक संपीड़न के प्रभावों की नकल करता है।

3. परिणाम और विश्लेषण

3.1 फेज पृथक्करण पर दबाव के प्रभाव

उच्च बाहरी दबाव स्थिर हैलाइड मिश्रण अनुपात की सीमा को काफी बढ़ा देता है। परिवेश दबाव पर, पृथक्करण x = 0.2 पर समाप्त होता है, लेकिन संपीड़न के तहत, यह अंतिम मान लगभग x = 0.6 तक खिसक जाता है, जिससे उपयोगी संरचना स्थान में नाटकीय रूप से विस्तार होता है।

3.2 अंतिम मिश्रण अनुपात में परिवर्तन

अंतिम x-मान बाहरी दबाव और प्रारंभिक संरचना दोनों पर निर्भर करता है। उच्च दबाव के तहत, आयोडाइड-युक्त और ब्रोमाइड-युक्त दोनों फेज प्रारंभिक संरचना के करीब रहते हैं, जो एक व्यापक मिश्रण सीमा में वृद्धि हुई ऊष्मागतिक स्थिरता को इंगित करता है।

3.3 ऊष्मागतिक व्याख्या

इन प्रभावों की व्याख्या गिब्स मुक्त ऊर्जा को PΔV पद के माध्यम से संशोधित करके की जाती है: $\Delta G = \Delta H - T\Delta S + P\Delta V$। संपीड़न आयतन पद को बदल देता है, ऊष्मागतिक न्यूनतम को स्थानांतरित करता है और उन मिश्रित संरचनाओं को स्थिर करता है जो अन्यथा अलग हो जातीं।

4. तकनीकी ढांचा

4.1 गणितीय सूत्रीकरण

ऊष्मागतिक स्थिरता गिब्स मुक्त ऊर्जा समीकरण द्वारा नियंत्रित होती है: $G = U + PV - TS$, जहाँ संपीड़न $P\Delta V$ पद को प्रभावित करता है। मिश्रित-हैलाइड पेरोव्स्काइट्स के लिए, मिश्रण की मुक्त ऊर्जा को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है: $\Delta G_{mix} = \Delta H_{mix} - T\Delta S_{mix} + P\Delta V_{mix}$।

4.2 प्रायोगिक सेटअप

TAS सेटअप ने हाइड्रोस्टेटिक दबाव सेल के साथ फेम्टोसेकंड लेजर पल्स का उपयोग किया। रासायनिक संपीड़न फॉर्मामिडिनियम या सीज़ियम जैसे छोटे आयनों के साथ धनायन इंजीनियरिंग का उपयोग करके जालक मापदंडों को कम करने के लिए प्राप्त किया गया था।

5. विश्लेषणात्मक परिप्रेक्ष्य

6. भविष्य के अनुप्रयोग

मिश्रित-हैलाइड पेरोव्स्काइट्स का स्थिरीकरण कई अनुप्रयोग खोलता है:

• टैंडम सौर सेल: कुशल मल्टी-जंक्शन उपकरणों के लिए स्थिर चौड़ी-बैंडगैप पेरोव्स्काइट्स
• रंग-समायोज्य एलईडी: स्थिर रंग निर्देशांक के साथ पूर्ण दृश्यमान स्पेक्ट्रम उत्सर्जन
• फोटोडिटेक्टर: विशेष संवेदन अनुप्रयोगों के लिए समायोज्य वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया
• एक्स-रे डिटेक्टर: चिकित्सा इमेजिंग उपकरणों के लिए बढ़ी हुई स्थिरता

भविष्य के शोध को तनाव-इंजीनियर पतली फिल्मों के विकास, लीड-मुक्त विकल्पों की खोज और इन स्थिर पेरोव्स्काइट्स को व्यावसायिक उपकरण वास्तुकला में एकीकृत करने पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए।

7. संदर्भ

1. Hutter, E. M. et al. Thermodynamic Stabilization of Mixed-Halide Perovskites Against Phase Segregation. Cell Reports Physical Science (2021)
2. Materials Project. Perovskite Crystal Structures Database. https://materialsproject.org
3. Carnegie Institution for Science. High-Pressure Physics Research. https://carnegiescience.edu
4. National Renewable Energy Laboratory. Perovskite Solar Cell Stability. https://nrel.gov/pv
5. Walsh, A. et al. Design of New Perovskites for Solar Cells. Nature Materials (2020)