नए डिजाइन उनकी सीमाओं से परे सौर कोशिकाओं को बढ़ावा दे सकते हैं


सूरज कंबल ओढ़ता है एक वर्ष के लिए पूरी दुनिया की ऊर्जा की जरूरतों को पूरा करने के लिए हर घंटे पर्याप्त फोटॉन वाली पृथ्वी सवाल यह है कि उन्हें बिजली में कैसे कुशलता से परिवर्तित किया जाए। यहां तक ​​कि छोटे पैमाने पर प्रयोगशाला स्थितियों के तहत, दुनिया की सबसे अच्छी एकल-जंक्शन सौर कोशिकाएं – अधिकांश सौर पैनलों में पाए जाने वाले प्रकार – अभी भी सूर्य की ऊर्जा का 29 प्रतिशत कैप्चर करने में अधिकतम हैं। इससे उन्हें लगभग एक तिहाई की कठिन सीमा से शर्मिंदा होना पड़ता है जिसकी गणना सौर शोधकर्ताओं ने आधी सदी पहले की थी। लेकिन वैज्ञानिकों ने फोटोवोल्टिक्स का अध्ययन किया है – यह प्रक्रिया जिसके द्वारा सूर्य के प्रकाश को बिजली में परिवर्तित किया जाता है – ने भी लंबे समय तक संदेह किया है कि यह सीमा उतनी कठिन नहीं है जितनी एक बार लग रही थी।

सौर सेल दक्षता पर छत, जिसे शॉक्ले-क्वीसर की सीमा के रूप में जाना जाता है, यह 29 और 33 प्रतिशत के बीच है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि आप इसे कैसे मापते हैं। यह एकल-जंक्शन सेल को मानता है, जिसका अर्थ है कि यह केवल एक प्रकार के अर्धचालक का उपयोग करके बनाया गया है और प्रत्यक्ष सूर्य के प्रकाश द्वारा सक्रिय है। इस सीमा को पार करने के लिए, शोधकर्ताओं ने प्रकाश को संकेंद्रित करने के लिए कई प्रकार के अर्धचालकों या लेंसों का उपयोग करने की कोशिश की है ताकि कोशिका को सूर्य की तुलना में सैकड़ों गुना अधिक शक्तिशाली विस्फोट मिले। इस साल की शुरुआत में, नेशनल रिन्यूएबल एनर्जी लैब ने एक विश्व रिकॉर्ड बनाया जब इसने छह-जंक्शन सौर सेल का उपयोग किया और किरण की तुलना में 143 गुना अधिक ध्यान केंद्रित किया, ताकि एक तेज 47.1 प्रतिशत ऊर्जा दक्षता प्राप्त की जा सके।

लेकिन इस तकनीक को कभी भी बड़े पैमाने पर तैनात नहीं किया जाएगा। एमआईटी में इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और कंप्यूटर विज्ञान के प्रोफेसर मार्क बाल्डो कहते हैं, इसका कारण यह है कि ये अल्ट्रा-हाई-दक्षता, बहुपरत सौर कोशिकाएं सौर पैनलों के रूप में उत्पादन करने के लिए बहुत जटिल और महंगी हैं। वास्तव में इलेक्ट्रिक ग्रिड पर अधिक सौर ऊर्जा प्राप्त करने के लिए सिंगल-जंक्शन, सिलिकॉन-आधारित सौर कोशिकाओं के साथ शॉक्ले-क्विसर सीमा को हिट करने की आवश्यकता होती है, जो उत्पादन करने के लिए तुलनात्मक रूप से आसान और सस्ते हैं। बेहतर अभी तक उच्च सीमा को टक्कर देने के लिए एक रास्ता मिल जाएगा। और एक दशक के काम के बाद, आखिरकार बाल्डो और उनके सहयोगियों को कैसे पता चला।

जैसा कि पिछले सप्ताह प्रकाशित एक पेपर में विस्तृत है प्रकृति, टेट्रासीन की एक पतली परत में बाल्डो की टीम ने सौर कोशिकाओं को लेपित किया, एक कार्बनिक अणु जो दो में आने वाले फोटॉन को प्रभावी ढंग से विभाजित करता है। इस प्रक्रिया को एक्साइटन विखंडन के रूप में जाना जाता है और इसका मतलब है कि सौर सेल दृश्य स्पेक्ट्रम के नीले-हरे हिस्से से उच्च ऊर्जा फोटॉन का उपयोग करने में सक्षम है।

यहां देखिए यह कैसे काम करता है। सिलिकॉन सोलर सेल सिलिकॉन से इलेक्ट्रॉनों को सर्किट में दस्तक देने के लिए आने वाले फोटॉन का उपयोग करके एक विद्युत प्रवाह उत्पन्न करते हैं। कितनी ऊर्जा लेता है? यह अपने बैंडगैप नामक सामग्री की एक विशेषता पर निर्भर करता है। सिलिकॉन का बैंडगैप इंफ्रारेड फोटॉनों से मेल खाता है, जो इलेक्ट्रोमैग्नेटिक स्पेक्ट्रम के दृश्य भाग में फोटॉन की तुलना में कम ऊर्जा ले जाता है। सिलिकॉन के बैंडगैप के बाहर के फोटो अनिवार्य रूप से बेकार जाते हैं। लेकिन यहां वह जगह है जहां टेट्रासीन आता है: यह नीले-हरे रंग के फोटॉन को दो "ऊर्जा" पैकेट में विभाजित करता है जो प्रत्येक अवरक्त फोटो के बराबर होते हैं। इसलिए प्रत्येक इंफ्रारेड फोटॉन के बजाय एक इलेक्ट्रॉन को मुक्त करने के लिए, नीले-हरे स्पेक्ट्रम में एक एकल फोटॉन मुक्त दो इलेक्ट्रॉनों को दस्तक दे सकता है। यह अनिवार्य रूप से एक की कीमत के लिए दो फोटॉन प्राप्त कर रहा है।

यह नया सेल फोटोवोल्टिक अनुसंधान में एक प्रसिद्ध ट्रूइज़्म के लिए एक मौलिक रूप से नए दृष्टिकोण का प्रतिनिधित्व करता है: यदि आप शॉक्ले-क्विसर सीमा को पास करना चाहते हैं, तो आपको सौर फोटॉन की एक विस्तृत श्रृंखला से ऊर्जा पर कब्जा करना होगा। क्योंकि यह सेल अपनी सीमा को व्यापक बनाने के लिए विभिन्न बैंडगैप वाली सामग्रियों के महंगे स्टैक पर निर्भर नहीं है, इसलिए यह अंततः अधिक व्यावहारिक भी हो सकता है। बाल्डो का कहना है कि टेट्रासीन का उपयोग करने से 35 प्रतिशत तक सैद्धांतिक ऊर्जा दक्षता सीमा बढ़ सकती है, जो कि एकल-जंक्शन कोशिकाओं के लिए कभी संभव थी।

हालांकि टेट्रासीन को जोड़ना वैचारिक रूप से सरल है, लेकिन इसे लागू करना कम था। बाल्डो कहते हैं, इसका कारण यह है कि यदि आप टेट्रासीन को सीधे सिलिकॉन पर रखते हैं, तो वे इस तरह से बातचीत करते हैं जो विद्युत आवेश को मारता है। बाल्डो और उनके सहयोगियों के लिए चुनौती एक ऐसी सामग्री की तलाश थी जो दो सामग्रियों के बीच सैंडविच हो सकती है ताकि ऊर्जा पैकेट टेट्रासीन से सिलिकॉन में प्रवाहित हो सके। सैद्धांतिक साहित्य ने उन्हें थोड़ा मार्गदर्शन दिया, इसलिए टीम सही इंटरफ़ेस सामग्री खोजने के लिए परीक्षण और त्रुटि की लंबी प्रक्रिया में लगी रही। यह केवल आठ परमाणुओं की मोटी हेफ़नियम ऑक्सीनिट्राइड की एक परत के रूप में निकला।

लेकिन इस सेल ने अभी तक कोई रिकॉर्ड नहीं बनाया है। परीक्षणों में इसकी दक्षता लगभग 6 प्रतिशत थी, इसलिए इसे मौजूदा सिलिकॉन सौर कोशिकाओं के खिलाफ प्रतिस्पर्धा करने से पहले एक लंबा रास्ता तय करना होगा, अकेले एक छत पर दिखना चाहिए। लेकिन यह काम केवल सौर सेल में एक्साइटन विखंडन की अवधारणा के प्रमाण के रूप में था। सेल की कार्यकुशलता को और अधिक बढ़ाने के लिए, बाल्डो कहते हैं, एक्साइटन विखंडन के लिए इसे अनुकूलित करने के लिए कुछ इंजीनियरिंग कार्यों की आवश्यकता होगी।

इस मायने में, एमआईटी टीम ने जो दिखाया वह इतनी प्रतिस्पर्धी तकनीक नहीं थी, लेकिन मौजूदा फोटोवोल्टिक की सीमाओं से परे जाने के लिए एक नया सौदा, राष्ट्रीय अक्षय ऊर्जा प्रयोगशाला के एक वरिष्ठ वैज्ञानिक जोसेफ बेरी कहते हैं। "क्या यहाँ अच्छा है कि यह पारंपरिक फोटोवोल्टिक से एक मौलिक रूप से अलग दृष्टिकोण है," वे कहते हैं। "यह एक ऐसा विचार है जो लंबे समय से आसपास है, लेकिन किसी भी प्रकार के कार्यात्मक उपकरण में अनुवादित नहीं किया गया है।"

एनआरईएल में बेरी और उनके सहयोगी मल्टी-जंक्शन कोशिकाओं की अतिरिक्त जटिलता और लागत के बिना सौर सेल दक्षता को आगे बढ़ाने के अन्य तरीकों की खोज कर रहे हैं। बेरी द्वारा खोजे जा रहे सबसे आशाजनक दिशाओं में से एक पेरोसाइट सेल हैं, जो सिंथेटिक सामग्री का उपयोग करते हैं जिसमें प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले खनिज पेरोसाइट के समान संरचनात्मक गुण होते हैं। पहले पर्कोविट सौर कोशिकाओं का उत्पादन केवल एक दशक पहले किया गया था, लेकिन तब से लेकर आज तक वे किसी भी प्रकार के सौर सेल के सबसे तेज दक्षता लाभ को देखते हैं।

विशेष रूप से भौतिक दोषों के लिए उनकी सहिष्णुता, बेरी कहते हैं, पारंपरिक सिलिकॉन सौर कोशिकाओं के मुकाबले पेरोसाइट कोशिकाओं के कई फायदे हैं। सिलिकॉन सोलर सेल पर बस कुछ अवांछित कण इसे बेकार कर सकते हैं, लेकिन पेरोसाइट सामग्री अभी भी अच्छी तरह से काम करती है, भले ही वे सही न हों। वे सिलिकॉन की तुलना में फोटोनिक ऊर्जा को अधिक कुशलता से संभालते हैं। दरअसल, एक मुख्य कारण सिलिकॉन का सौर सेल प्रौद्योगिकी पर हावी होना है क्योंकि यह काम के लिए सबसे अच्छी सामग्री नहीं है, लेकिन सिर्फ इसलिए कि वैज्ञानिक डिजिटल तकनीकों में व्यापक उपयोग के कारण इसके बारे में इतना जानते हैं।

अब तक, अगली पीढ़ी की सौर कोशिकाओं में से किसी ने भी व्यावसायिक उत्पादों में अपना रास्ता नहीं बनाया है। वर्तमान में लगभग सभी सौर पैनल पारंपरिक एकल-परत सिलिकॉन कोशिकाओं का उपयोग कर रहे हैं, जो दशकों से तत्वों का सामना करने के लिए सिद्ध हैं। क्षेत्र में प्रति-आधारित सौर पैनल प्राप्त करना यह प्रदर्शित करना होगा कि वे स्थिर हैं और 20 या अधिक वर्षों तक रह सकते हैं। बेरी का कहना है कि कई कंपनियों ने पहले से ही छोटे पैमाने पर पेर्कोव्हीट पैनल तैनात किए हैं, जो उन्हें उम्मीद है कि सड़क को व्यापक रूप से अपनाने का मार्ग प्रशस्त करेगा।

भविष्य को देखते हुए, बेरी का कहना है कि यह अनुमान है कि एमआईटी में विकास के तहत एक्सिटोन विखंडन तकनीक को उनकी दक्षता बढ़ाने के लिए पेरोविसाइट सौर कोशिकाओं के साथ जोड़ा जा सकता है। "यह या तो / या प्रस्ताव नहीं है," बेरी कहते हैं, लेकिन पहले एक्साइटन विखंडन को साबित करना होगा कि यह वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त है। अंत में, ग्रिड पर अधिक सूर्य के प्रकाश होने से संभवतः प्रत्येक अपने स्वयं के फायदे के साथ सौर प्रौद्योगिकियों का एक सूट शामिल होगा।


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