कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने एक नए तंत्र का पता लगाया है जो इलेक्ट्रॉनों को असाधारण गति से सौर सामग्री के माध्यम से स्थानांतरित करने की अनुमति देता है, जो संभावित रूप से भविष्य की सौर सेल तकनीक को डिजाइन करने के तरीके को बदल देता है।

खोज से पता चलता है कि आणविक कंपन सक्रिय रूप से भौतिक इंटरफेस में इलेक्ट्रॉनों को प्रेरित करते हैं, जिससे पहले की तुलना में तेजी से चार्ज स्थानांतरण संभव हो पाता है।

कैवेंडिश इंस्टीट्यूट और यूसुफ हमीद रसायन विज्ञान विभाग के वैज्ञानिकों द्वारा किए गए शोध से पता चलता है कि इलेक्ट्रॉन दोनों के बीच की सीमा को पार कर सकते हैं। सामग्री सिर्फ 18 फेमटोसेकंड में.

यह टाइमस्केल दिखाता है कि गति एक एकल आणविक कंपन के भीतर होती है, जो सौर कोशिकाओं और फोटोडिटेक्टरों जैसी प्रकाश-संचयन प्रौद्योगिकियों में सुधार के लिए नए रास्ते सुझाती है।

सौर सेल सामग्री डिज़ाइन के नियमों को तोड़ना

वैज्ञानिकों का लंबे समय से मानना ​​है कि सौर सेल सामग्रियों में अल्ट्राफास्ट चार्ज ट्रांसफर के लिए डिवाइस घटकों के बीच मजबूत इलेक्ट्रॉनिक इंटरैक्शन और बड़े ऊर्जा अंतर की आवश्यकता होती है।

हालाँकि ये परिस्थितियाँ तेज़ इलेक्ट्रॉन गति को बढ़ावा देती हैं, लेकिन ये ऊर्जा हानि और वोल्टेज ड्रॉप जैसी कमियाँ भी लेकर आती हैं।

कैम्ब्रिज टीम जानबूझकर एक ऐसी प्रणाली तैयार करके इस धारणा को चुनौती देना चाहती थी जो पारंपरिक डिजाइन नियमों का उपयोग करने में अक्षम होगी।

उन्होंने पॉलिमरिक दाता सामग्री को गैर-फुलरीन स्वीकर्ता के बगल में इस तरह रखा कि उनके बीच थोड़ा ऊर्जा अंतर हो, जिससे इलेक्ट्रॉनिक युग्मन कम से कम हो। पारंपरिक सिद्धांत ने भविष्यवाणी की है कि ऐसी प्रणालियों में इलेक्ट्रॉन की गति धीमी होगी।

इसके बजाय, इसके विपरीत हुआ। प्रयोगों से पता चला कि इलेक्ट्रॉन अणुओं के प्राकृतिक कंपन के बराबर गति से लगभग तुरंत ही सामग्रियों के बीच इंटरफेस से गुजरते हैं।

आणविक कंपन की भूमिका

इस अप्रत्याशित गति की कुंजी अणुओं की गति में निहित है। बहुत ही कम समय के पैमाने पर, अणुओं के भीतर परमाणु लगातार कंपन करते रहते हैं। कैम्ब्रिज प्रयोग में, जब प्रकाश को एक बहुलक में अवशोषित किया गया, तो इन कंपनों ने इलेक्ट्रॉन गति को चलाने में सक्रिय भूमिका निभाई।

बेतरतीब ढंग से बिखरने के बजाय, इलेक्ट्रॉनों को तेजी से, निर्देशित विस्फोटों में सीमा के पार धकेल दिया गया। वैज्ञानिकों ने इस क्रिया की तुलना आणविक गुलेल से की। आणविक गुलेल में, कंपन प्रभावी ढंग से इलेक्ट्रॉनों को एक सामग्री से दूसरे में लॉन्च करते हैं।

जब इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता अणु तक पहुंचता है तो यह कंपन गति एक अद्वितीय संकेत भी उत्पन्न करती है। इस आगमन से ग्रहण करने वाले पदार्थ में नये सुसंगत स्पंदन उत्पन्न हुए। यह दोलन कार्बनिक प्रणालियों में बहुत कम देखा जाता है और यह बहुत तेजी से चार्ज स्थानांतरण का एक मजबूत संकेतक है।

केवल फेमटोसेकंड तक चलने वाली घटनाओं को कैप्चर करें

इन अल्ट्राफास्ट प्रक्रियाओं का निरीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने उन्नत लेजर तकनीक का उपयोग किया जो फेमटोसेकंड टाइमस्केल पर घटनाओं को माप सकता है। एक फेमटोसेकंड एक सेकंड का एक क्विंटलवाँ हिस्सा है, जिसका अर्थ है कि ब्रह्मांड के शुरू होने के बाद से एक सेकंड में कुल घंटों की संख्या से कहीं अधिक फेमटोसेकंड हैं।

ऐसे छोटे अंतराल पर, वैज्ञानिक सीधे इलेक्ट्रॉनों की गति और परमाणुओं की गति के बीच परस्पर क्रिया का निरीक्षण कर सकते हैं। प्रयोगों से पता चला है कि इलेक्ट्रॉनों की गति उसी “घड़ी” में होती है जिसमें आणविक कंपन होते हैं।

सौर सेल सामग्री को डिजाइन करने का एक नया दृष्टिकोण

इस खोज से पता चलता है कि चार्ज पृथक्करण की अंतिम दर केवल सामग्री की स्थिर इलेक्ट्रॉनिक संरचना द्वारा निर्धारित नहीं होती है। यह इस बात से काफी प्रभावित हो सकता है कि प्रकाश को अवशोषित करने के बाद अणु कैसे कंपन करते हैं।

यह अंतर्दृष्टि भविष्य की सौर ऊर्जा प्रणालियों के लिए नई डिजाइन रणनीतियों के द्वार खोलती है। शोधकर्ता उन सामग्रियों को डिज़ाइन करने में सक्षम हो सकते हैं जिनके कंपन आणविक गति को दबाने की कोशिश करने के बजाय सक्रिय रूप से इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण का समर्थन करते हैं, जिसे हमेशा अक्षमता का स्रोत माना जाता है।

यह दृष्टिकोण अधिक कुशल जैविक सौर कोशिकाओं, बेहतर फोटोडिटेक्टरों और हाइड्रोजन उत्पादन जैसी स्वच्छ ऊर्जा प्रौद्योगिकियों में उपयोग की जाने वाली अधिक प्रभावी फोटोकैटलिटिक प्रणालियों को जन्म दे सकता है। यह खोज प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषण में होने वाली समान प्रक्रियाओं में नई अंतर्दृष्टि भी प्रदान करती है।

यह अध्ययन यह प्रदर्शित करके अगली पीढ़ी की प्रकाश-संचयन सामग्री को डिजाइन करने के लिए एक नई रूपरेखा पेश करता है कि आणविक गति अल्ट्राफास्ट इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण को चला सकती है।