چونکہ سورج کی روشنی زمین کی سطح کے ہر ایک انچ کو غسل دیتی ہے، انسانیت مسلسل اس بات پر غور کرتی ہے کہ اس کائناتی تحفے کو زیادہ کارکردگی کے ساتھ کیسے استعمال کیا جائے۔ اس مقصد کے حصول کے لیے سولر سیلز اہم گاڑیوں کے طور پر کھڑے ہیں۔ متعدد فوٹو وولٹک مواد میں، 'پیرووسکائٹ' نامی ایک نووارد نے گزشتہ دہائی کے دوران نمایاں مقام حاصل کیا ہے، جو تیزی سے عالمی شمسی صنعت میں سب سے زیادہ مطلوب 'ٹاپ پرفارمر' بن گیا ہے۔ اس کی نئی تکنیکی لہر کو چنگاری کرنے کی صلاحیت ایک اہم عنصر پر منحصر ہے: اس کا نظریاتی طور پر بہترین 1.5 eV بینڈ گیپ۔

I. پیرووسکائٹ: ایک قدیم آواز والا نام، پھر بھی مستقبل کی کارکردگی

اس واضح طور پر معدنی آواز والے نام سے گمراہ نہ ہوں۔ اگرچہ حقیقی پیرووسکائٹ (CaTiO₃) 19 ویں صدی کے دوران یورال پہاڑوں میں دریافت ہونے والا معدنیات ہے، لیکن اب فوٹو وولٹک کمیونٹی میں وسیع پیمانے پر زیر بحث اصطلاح 'پیرووسکائٹ' اب کسی مخصوص کرسٹل سے مراد نہیں ہے۔ اس کے بجائے، یہ ABX₃ ساختی فریم ورک کا اشتراک کرنے والے مواد کے ایک خاندان کی نشاندہی کرتا ہے۔

اس ڈھانچے کو 'ماڈیولر بلڈنگ بلاک' سسٹم کے طور پر تصور کیا جا سکتا ہے:

• ایک سائٹ: بڑے کیشنز (جیسے، MA، FA، Cs)
• B سائٹ: دھاتی کیشنز (مثال کے طور پر، Pb، Sn)
• X سائٹ: ہالائیڈ اینینس (مثال کے طور پر، I، Br، Cl)

ان کا کوئی بھی امتزاج مختلف بینڈ گیپس اور استحکام پیدا کرتا ہے، جو اسے مادی دنیا کی 'فری فارم اسمبلی' بناتا ہے۔

خاص طور پر قابل ذکر نامیاتی-غیر نامیاتی ہائبرڈ پیرووسکائٹس ہیں۔ چونکہ میاساکا کی ٹیم نے پہلی بار 2009 میں اپنی فوٹو وولٹک ایپلی کیشن کا مظاہرہ کیا تھا، تبادلوں کی کارکردگی NREL کے ریکارڈ کے مطابق 3.8% سے بڑھ کر 26% ہو گئی ہے، ٹینڈم سیلز نے 30% کی حد کو عبور کر لیا ہے۔

اہم بات یہ ہے کہ ان کی من گھڑت ہلکی، کم لاگت اور سیدھی ہے، جس کے لیے نہ تو زیادہ درجہ حرارت کی سنٹرنگ کی ضرورت ہوتی ہے اور نہ ہی انتہائی صاف ستھرا سہولیات، جو انہیں انتہائی صنعتی بناتی ہے۔

نتیجتاً، انہیں 'تیسری نسل کی فوٹو وولٹک ٹیکنالوجی' کے طور پر شمار کیا جاتا ہے جو سلیکون سیلز کو کامیاب کرتی ہے۔

II 1.5 eV کو شمسی جذب کے لیے 'گولڈن بینڈ گیپ' کیوں کہا جاتا ہے؟

سورج کی روشنی مختلف توانائیوں کے فوٹون پر مشتمل 'روشنی توانائی کے آبشار' سے مشابہت رکھتی ہے۔ شمسی خلیوں کا کام یہ ہے کہ ان فوٹونز کو الیکٹرانوں کو اکسانے اور برقی رو پیدا کرنے کے لیے استعمال کریں۔ تاہم، اگر بینڈ گیپ زیادہ سے زیادہ حد سے باہر ہے، تو توانائی ضائع ہو جاتی ہے۔

اگر بینڈ گیپ بہت بڑا ہے (> 2 eV):

سرخ اور اورکت روشنی میں کافی توانائی کی کمی ہے، جو براہ راست مواد سے گزرتی ہے اور شفافیت کو نقصان پہنچاتی ہے۔

اگر بینڈ گیپ بہت تنگ ہے (<1 eV)،

اعلی توانائی والے فوٹونز سے اضافی توانائی گرمی کے طور پر ختم ہوجاتی ہے، جس سے تھرمل نقصانات ہوتے ہیں۔

نہ ہی انتہائی بہترین ہے۔

سائنس دانوں نے نظریاتی طور پر اس کا حساب لگایا ہے۔

تقریباً 1.34–1.5 eV کا بینڈ گیپ جذب کی کارکردگی اور تھرمل نقصانات کے درمیان توازن کو زیادہ سے زیادہ کرتا ہے، جو شمسی خلیوں کے لیے مثالی 'سویٹ اسپاٹ' بناتا ہے۔

اس بینڈ گیپ پر، فوٹو وولٹک کارکردگی کی نظریاتی بالائی حد (شاکلی – کوئزر کی حد) 33% سے تجاوز کر سکتی ہے۔

پیرووسکائٹ مواد کی قابل ذکر خاصیت سادہ عنصر کے متبادل کے ذریعے بینڈ گیپ کو ایڈجسٹ کرنے کی ان کی صلاحیت میں مضمر ہے:

Pb کو Sn سے تبدیل کرنے سے بینڈ گیپ کم ہو جاتا ہے۔

ہالوجن کو ایڈجسٹ کرنا (I → Br → Cl) بینڈ گیپ کو بڑھاتا ہے۔

FA/MA/Cs کو ملانا کرسٹل کے استحکام اور توانائی کی سطح کو باریک کرتا ہے۔

مثال کے طور پر، ماسٹر میٹریل MAPbI₃ تقریباً 1.55 eV کا بینڈ گیپ رکھتا ہے۔ Sn یا FA کا تعارف آسانی سے اسے 1.35–1.4 eV میں ایڈجسٹ کر دیتا ہے — نظریاتی زیادہ سے زیادہ قریب — اس کے بینڈ کی ساخت کو سورج کی روشنی کے لیے تقریباً تیار کیا گیا ہے۔

III پیرووسکائٹ: قابل ذکر کارکردگی سے پرے، اس کے اطلاقات تخیل کی نفی کرتے ہیں۔

پیرووسکائٹ کی طاقتیں کارکردگی سے بڑھ کر اس کی قابل ذکر پلاسٹکٹی تک پھیلی ہوئی ہیں:

• یہ شفاف شمسی گلاس میں تشکیل دیا جا سکتا ہے
• اگواڑے کی تعمیر کے لیے لچکدار فلموں میں من گھڑت
• پہننے کے قابل آلات اور کمپیکٹ الیکٹرانکس میں مربوط
• کارکردگی کی رکاوٹوں پر قابو پانے کے لئے ٹینڈم خلیوں میں سلکان کے ساتھ مل کر

2025 تک، چین نے دنیا کا پہلا پیرووسکائٹ آل سیناریو گرین بجلی کا مظاہرہ پارک قائم کیا۔ بڑے تحقیقی ادارے کارکردگی کے ریکارڈ کو توڑتے رہتے ہیں، جو اس ٹیکنالوجی کی لیبارٹری سے صنعت کاری کی طرف تیزی سے منتقلی کا اشارہ دیتے ہیں۔

اگرچہ استحکام، موسم کی مزاحمت، اور بڑے پیمانے پر پیداوار چیلنجز بنے ہوئے ہیں، پیرووسکائٹ بلاشبہ توانائی کی عالمی ٹیکنالوجی کے مقابلے کا مرکزی نقطہ بن گیا ہے۔

چہارم 1.5 eV ایک نئے دور کا دروازہ کھولتا ہے۔

مستقبل میں، آپ گواہی دے سکتے ہیں:

بجلی پیدا کرنے والی شفاف کھڑکیاں شیشے کی طرح صاف ہیں۔

الٹرا پتلی فوٹو وولٹک فلمیں اسٹیکرز کی طرح ہلکی پھلکی

لچکدار شمسی ٹیکسٹائل تانے بانے کی طرح لچکدار

چھتیں، دیواریں، اور یہاں تک کہ الیکٹرانک کیسنگ بھی خاموشی سے 'بجلی پیدا کرنے کے لیے روشنی کو جذب کرتے ہیں'

یہ بظاہر سائنس فکشن منظرنامے اس کامل 1.5 eV بینڈ گیپ اور پیرووسکائٹ مواد کے لچکدار، ٹیون ایبل ساختی فوائد سے پیدا ہوتے ہیں۔

بینڈ گیپ کے "سنہری نقطہ" سے شروع ہونے والا یہ فوٹوولٹک انقلاب، توانائی کی تبدیلی کی لہر کے درمیان خاموشی سے شروع ہو چکا ہے۔