Enhanced Absorption in Thin-Film Silicon Solar Cells Using a Broadband Plasmonic Nanostructure
यह शोध पत्र एक ब्रॉडबैंड मेटल-डाइइलेक्ट्रिक-मेटल नैनोस्ट्रक्चर के डिजाइन, फैब्रिकेशन और प्रयोगात्मक सत्यापन को प्रस्तुत करता है जिसमें एक आवधिक टाइटेनियम सरणी, सिलिकॉन डाइऑक्साइड स्पेसर और एल्युमीनियम बैक रिफ्लेक्टर शामिल है, जो UV से लेकर नियर-IR तरंग दैर्ध्य तक 96% औसत अवशोषण (एब्जॉर्प्टेंस) प्राप्त करता है और पतली फिल्म वाले सिलिकॉन सौर सेल में प्रकाश अवशोषण को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक जाल के साथ सूरज की रोशनी को पकड़ने की कोशिश कर रहे हैं। यदि आपके जाल के छेद बहुत बड़े हैं, तो प्रकाश सीधे निकल जाएगा। यदि जाल बहुत मोटा और भारी है, तो इसे ले जाना कठिन और बनाना महंगा होगा। दशकों से, वैज्ञानिक सौर पैनलों के लिए एक आदर्श "प्रकाश जाल" बनाने की कोशिश कर रहे हैं—कुछ ऐसा जो इतना पतला हो कि सस्ता और लचीला हो, लेकिन इतना चिपचिपा हो कि इंद्रधनुष के गहरे बैंगनी छोर से लेकर अदृश्य इन्फ्रारेड गर्मी तक, सूर्य के ऊर्जा के हर फोटॉन को पकड़ सके। चुनौती यह है कि प्रकाश चतुर होता है; यह चमकदार सतहों से टकराकर वापस लौट जाता है और पारदर्शी सतहों से सीधे गुजर जाता है। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ता नैनोटेक्नोलॉजी नामक भौतिकी की एक शाखा का उपयोग करते हैं, जहाँ वे एक बाल के एक अकेले रेशे से भी छोटी संरचनाएं बनाते हैं। ये संरचनाएं प्रकाश को इस तरह फंसाने के लिए धोखा दे सकती हैं कि वह एक छोटे से जाल के भीतर टकराता रहे और अवशोषित होने तक घूमता रहे। लक्ष्य एक ऐसी सतह बनाना है जो प्रकाश के लिए "ब्लैक होल" की तरह काम करे, जो बिना किसी परावर्तन के उसे पूरी तरह निगल ले, और ऐसा भी करे चाहे प्रकाश किसी भी दिशा से या किस भी रंग का हो।
यह शोध पत्र ऐसे प्रकाश-फँसाने वाली सतह के लिए एक नया, चतुर डिज़ाइन पेश करता है, जिसे विशेष रूप से पतली-फिल्म सिलिकॉन सौर कोशिकाओं (thin-film silicon solar cells) के साथ काम करने के लिए बनाया गया है। किंग अब्दुल्ला यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी में काम कर रहे शोधकर्ताओं ने एक सैंडविच जैसी संरचना बनाई जो अविश्वसनीय रूप से पतली है—केवल 178 नैनोमीटर मोटी, जो एक मानव बाल की चौड़ाई के एक हज़ारवें हिस्से से भी कम है। इसकी ऊपरी परत टाइटेनियम (एक धातु जो अपनी मजबूती और गर्मी के प्रति प्रतिरोध के लिए जानी जाती है) से बने छोटे, आयताकार ब्लॉकों का एक ग्रिड है, जो कांच जैसे पदार्थ (सिलिकॉन डाइऑक्साइड) की एक पतली कुशन पर स्थित है, जो एल्युमीनियम की एक ठोस शीट पर टिका है। इसे एक हाई-टेक ट्रैम्पोलिन की तरह समझें: एल्युमीनियम का निचला हिस्सा एक सख्त फर्श की तरह काम करता है जो प्रकाश को वापस ऊपर उछालता है, कांच का कुशन प्रकाश को अपनी जगह पर बनाए रखता है, और ऊपर के टाइटेनियम ब्लॉक छोटे चुंबकों की तरह काम करते हैं जो प्रकाश को पकड़ते हैं और उसे अंदर खींच लेते हैं।
टीम ने इस संरचना को डिजाइन करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया और फिर इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी नामक तकनीक का उपयोग करके इसका वास्तविक संस्करण बनाया, जो सतह पर पैटर्न बनाने के लिए एक अति-सूक्ष्म पेन का उपयोग करने जैसा है। जब उन्होंने अपनी रचना का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि यह प्रकाश को पकड़ने में माहिर है। रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला में—पराबैंगनी (ultraviolet) से लेकर निकट-इन्फ्रारेड (near-infrared) तक (280 nm से 1000 nm तक की तरंग दैर्ध्य को कवर करते हुए)—इस उपकरण ने उस प्रकाश का औसतन 96% अवशोषित किया जो इस पर पड़ा था। यह एक स्पंज की तरह है जो उड़ेले गए पानी की लगभग हर बूंद को सोख लेता है। इससे भी बेहतर बात यह है कि यह डिज़ाइन "पोलराइजेशन असंवेदनशील" (polarization insensitive) है, जिसका अर्थ है कि यह उतना ही अच्छा काम करता है चाहे प्रकाश की लहरें ऊपर-नीचे कंपन कर रही हों या अगल-बगल, और यह तब भी कुशलता से काम करता रहता है जब प्रकाश क्षितिज पर नीचे सूरज की तरह एक तीव्र कोण से टकराता है।
शोधकर्ताओं ने केवल एक बेहतरीन अवशोषक बनाने पर ही नहीं रोका; उन्होंने यह भी सिमुलेट किया कि क्या होगा यदि वे इस नन्हे जाल को एक मानक पतली-फिल्म सिलिकॉन सौर सेल के ऊपर रखें। परिणाम उत्साहजनक थे: सौर सेल की अपनी सक्रिय परत में प्रकाश को अवशोषित करने की क्षमता काफी बढ़ गई। सिमुलेशन ने दिखाया कि नैनोस्ट्रक्चर ने सिलिकॉन के भीतर प्रकाश को केंद्रित करने में मदद की, जिससे सेल बिजली में बदलने के लिए सूर्य के प्रकाश का उपयोग करने में बहुत अधिक कुशल हो गया। यह शोध पत्र पुष्टि करता है कि यह डिज़ाइन न केवल कंप्यूटर में प्रभावी है, बल्कि विनिर्माण की जटिल वास्तविकता में भी जीवित रहने के लिए पर्याप्त मजबूत है, जहाँ मामूली खामियां जैसे कि थोड़े झुके हुए दीवारें या असमान मोटाई अक्सर होती हैं। सरल सामग्रियों और एक सीधे लेआउट का उपयोग करके, यह कार्य सस्ते, अधिक कुशल सौर ऊर्जा संचयक बनाने की दिशा में एक मार्ग सुझाता है जो हमें सूर्य की शक्ति को अधिक कुशलता से पकड़ने में मदद कर सकता है।
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