Near 13% efficient semitransparent Cu(In,Ga)S2 solar cells with band gap of 1.6 eV on transparent back contact
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि सोडियम की आपूर्ति और उच्च-तापमान विकास को अनुकूलित करके तथा करंट ब्लॉकिंग को रोकने के लिए GaOₓ इंटरफेशियल लेयर की मोटाई को संतुलित करते हुए, In₂O₃:Sn पारदर्शी बैक कॉन्टैक्ट्स वाले वाइड-गैप (1.6 eV) सेमीट्रांसपेरेंट Cu(In,Ga)S₂ सौर सेल लगभग 13% की दक्षता प्राप्त कर सकते हैं।
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कल्पना कीजिए कि आप एक दो-मंजिला सौर ऊर्जा संयंत्र (solar power plant) बनाने की कोशिश कर रहे हैं।
एक पारंपरिक सौर पैनल में, छत ऐसी सामग्री से बनी होती है जो सारी धूप को पकड़ लेती है, लेकिन यह बहुत सारी ऊर्जा बर्बाद करती है क्योंकि यह हर रंग की रोशनी को पकड़ने की कोशिश करती है, भले ही वह उसे कुशलतापूर्वक उपयोग न कर सके। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक टैंडम सौर सेल (tandem solar cells) बना रहे हैं। इसे एक दो-मंजिला घर के रूप में सोचें:
- ऊपरी मंजिल (ऊपरी सेल): इसे उच्च-ऊर्जा वाली नीली रोशनी को पकड़ने की आवश्यकता है और निचली मंजिल के लिए कम-ऊर्जा वाली लाल रोशनी को गुजरने देना चाहिए।
- निचली मंजिल (निचला सेल): यह उस लाल रोशनी को पकड़ता है जिसे ऊपरी मंजिल ने नीचे जाने दिया।
समस्या यह है कि "ऊपरी मंजिल" की सामग्री (जिसे Cu(In,Ga)S₂ या CIGS कहा जाता है) बनाना पेचीदा है। इसे नीचे से पारदर्शी होना चाहिए ताकि प्रकाश नीचे की मंजिल से गुजर सके, लेकिन इसे ऊर्जा एकत्र करने के लिए एक आदर्श विद्युत चालक (conductor) भी होना चाहिए। आमतौर पर, एक सौर सेल का पिछला हिस्सा एक चमकदार, अपार धातु (जैसे कि दर्पण) से बना होता है, जो प्रकाश को रोकता है। एक टैंडम सेल के लिए, हमें एक पारदर्शी पिछला संपर्क (Transparent Back Contact - TBC) चाहिए—जैसे कि एक स्पष्ट कांच का फर्श जो बिजली का संचालन भी कर सके।
शोधकर्ताओं ने इस "ऊपरी मंजिल" को बनाने के लिए ITO (इंडियम टिन ऑक्साइड) नामक एक स्पष्ट सामग्री का उपयोग करके इस "पारदर्शी पिछले संपर्क" (TBC) को बनाने की कोशिश की। उन्हें कुछ बाधाओं का सामना करना पड़ा, लेकिन उन्होंने एक बहुत ही कुशल परिणाम (लगभग 13% दक्षता, जो इस विशिष्ट प्रकार के सेल के लिए एक बड़ी बात है) प्राप्त करने के लिए उन्हें ठीक करने का तरीका ढूंढ निकाला।
यहाँ बताया गया है कि उन्होंने इसे कैसे किया, कुछ सरल उपमाओं (analogies) का उपयोग करते हुए:
1. गर्मी की समस्या: एक आदर्श केक पकाना
सौर सेल सामग्री (जिसे "केक" कहा जा सकता है) को उच्च गुणवत्ता वाला बनाने के लिए, आपको इसे उच्च तापमान (630°C) पर पकाना होगा।
- समस्या: जब आप इस उच्च गर्मी पर पकाते हैं, तो पारदर्शी कांच का फर्श (ITO) केक की सामग्रियों के साथ प्रतिक्रिया करने लगता है। विशेष रूप से, केक और फर्श के बीच "जंग" (गैलियम ऑक्साइड, या GaOx) की एक परत बन जाती है।
- उपमा: कल्पना कीजिए कि आप कांच की प्लेट पर केक पका रहे हैं। यदि प्लेट बहुत मोटी है और ओवन बहुत गर्म है, तो केक और प्लेट के बीच एक मोटी जली हुई चीनी की परत बन जाएगी। यह जली हुई परत एक ट्रैफिक जाम की तरह काम करती है। बिजली (जो "कारें" हैं) केक से बाहर निकलने और फर्श को पार करने की कोशिश में फंस जाती है, जिससे सौर सेल खराब प्रदर्शन करता है।
2. गुप्त सामग्री: सोडियम (Na)
शोधकर्ताओं ने पाया कि सोडियम जोड़ना एक विशेष मसाले को जोड़ने जैसा है जो केक की बनावट को ठीक करता है।
- यह कहाँ से आता है: आमतौर पर, कांच का सबस्ट्रेट (बेकिंग ट्रे) स्वाभाविक रूप से थोड़ा सा सोडियम केक में लीक करता है।
- प्रयोग: उन्होंने अतिरिक्त सोडियम डालकर (NaF पाउडर छिड़ककर) भी कोशिश की और पतले कांच की प्लेटों (पतले ITO स्तरों) पर पकाने की भी कोशिश की।
- परिणाम:
- मोटी ITO + उच्च गर्मी: इसने एक मोटी "जंग" की परत (GaOx) बनाई। अतिरिक्त सोडियम के साथ भी, ट्रैफिक जाम बना रहा। बिजली फंस गई, और दक्षता गिर गई।
- पतली ITO + उच्च गर्मी: "जंग" की परत बहुत पतली थी। बिजली आसानी से बह सकती थी।
- जादू: बिना अतिरिक्त सोडियम जोड़े भी, पतली ITO ने कांच से पर्याप्त प्राकृतिक सोडियम को अंदर आने दिया। यह सोडियम एक ट्रैफिक पुलिस अधिकारी की तरह काम करता है, जो सड़क को साफ करता है और जंग के कारण होने वाले "ट्रैफिक जाम" को ठीक करता है।
3. दरारों (दोषों) को ठीक करना
सौर सेल में छोटे-छोटे क्रैक और खामियां (दोष) होते हैं जहाँ ऊर्जा नष्ट हो जाती है।
- कम गर्मी (575°C): केक कम पका हुआ था। इसमें छोटे दाने और कई दरारें थीं। ऊर्जा बाहर निकल गई।
- उच्च गर्मी (630°C): केक पूरी तरह से पक गया था। इसके दाने बड़े हो गए और आपस में मिल गए, जिससे दरारें भर गईं।
- सोडियम का प्रभाव: सोडियम जोड़ने से बाकी बची दरारों को "ठीक करने" में मदद मिली। शोधकर्ताओं ने मापा कि सामग्री कितनी चमक रही थी (फोटोल्यूमिनेसेंस)। उच्च-तापमान, सोडियम-उपचारित नमूनों ने कम-तापमान वाले नमूनों की तुलना में 100 गुना अधिक चमक दिखाई, जिसका अर्थ है कि वे दोषों के कारण लगभग कोई ऊर्जा नहीं खो रहे थे।
बड़ी जीत
उच्च गर्मी (एक मजबूत, दोष-मुक्त केक बनाने के लिए) को पतले पारदर्शी पिछले संपर्क (जंग की परत को पतला रखने के लिए) और बस सही मात्रा में सोडियम (ट्रैफिक को साफ करने के लिए) के साथ जोड़कर, उन्होंने एक बड़ी सफलता हासिल की:
- उन्होंने 1.6 eV का बैंडगैप वाला एक सौर सेल बनाया (जो टैंडम सेल के ऊपरी मंजिल के लिए एकदम सही है)।
- यह 12.7% दक्षता तक पहुँच गया।
- सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि यह पारदर्शी पिछले संपर्क के साथ भी अच्छी तरह से काम करता है, जो साबित करता है कि यह सामग्री अगली पीढ़ी के सुपर-एफिशिएंट सौर पैनलों के लिए "ऊपरी मंजिल" बनने के लिए तैयार है।
संक्षेप में: उन्होंने यह पता लगा लिया कि कैसे एक पारदर्शी कांच के फर्श पर उच्च-प्रदर्शन वाला सौर सेल बनाया जाए, बिना गर्मी को ट्रैफिक-जाम पैदा करने वाली जंग की परत बनने दिए। उन्होंने यह पतला कांच का फर्श इस्तेमाल करके और प्राकृतिक सोडियम को सफाई का मुख्य काम करने देकर किया। यह सौर पैनलों के लिए नए रास्ते खोलता है जो पहले से कहीं अधिक सूरज की रोशनी को पकड़ सकते हैं।
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