Exploring the Potential of Ternary Blending for Two and Three-Junction RAINBOW Solar Cells
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि स्केलेबल रेनबो (RAINBOW) स्पेक्ट्रल-स्प्लिटिंग आर्किटेक्चर, जो बैंडगैप को अनुकूलित करने और निर्माण संबंधी चुनौतियों को कम करने के लिए टर्नरी-ब्लेंडेड सबसेल्स का उपयोग करता है, ऑर्गेनिक फोटोवोल्टिक दक्षता को सिंगल-जंक्शन उपकरणों में 12.9% से बढ़ाकर तीन-जंक्शन कॉन्फ़िगरेशन में 17.3% कर सकता है, जो उच्च-प्रदर्शन, विनिर्माणात्मक सौर सेल के लिए इसकी व्यवहार्यता की पुष्टि करता है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक ही, चौड़े बाल्टी का उपयोग करके बारिश का पानी पकड़ने की कोशिश कर रहे हैं। यदि बारिश हल्की है, तो आप थोड़ा पानी पकड़ते हैं। यदि भारी बारिश हो रही है, तो आपकी बाल्टी भर कर बहने लगती है, और आप अतिरिक्त पानी खो देते हैं। पारंपरिक सौर सेल (solar cells) आज बिल्कुल इसी तरह काम करते हैं: वे एक ही सामग्री से बने होते हैं जो केवल एक विशिष्ट ऊर्जा के फोटॉन (प्रकाश कणों) को ही "पकड़" सकते हैं। यदि प्रकाश बहुत कमजोर है, तो सामग्री उसे अनदेखा कर देती है। यदि यह बहुत अधिक शक्तिशाली है, तो सामग्री उसे पकड़ तो लेती है, लेकिन अतिरिक्त ऊर्जा को गर्मी के रूप में बर्बाद कर देती है।
इस शोध पत्र के शोधकर्ता एक बेहतर "बारिश पकड़ने वाली प्रणाली" बनाने की कोशिश कर रहे हैं, जिसे उन्होंने RAINBOW नामक एक चतुर नए डिज़ाइन के माध्यम से बनाया है।
पुराने तरीके की समस्या (स्टैकिंग/एक के ऊपर एक रखना)
आमतौर पर, प्रकाश के अधिक प्रकारों को पकड़ने के लिए, वैज्ञानिक विभिन्न सौर सेलों को एक के ऊपर एक, एक सैंडविच की तरह रखते हैं। ऊपरी परत चमकीले, उच्च-ऊर्जा वाले प्रकाश को पकड़ती है, और बाकी को नीचे की परत तक जाने देती है। लेकिन इसे बनाना मुश्किल है। यह नाजुक पैनकेक्स को बिल्कुल सही ढंग से एक के ऊपर एक रखने जैसा है; यदि वे ठीक से संरेखित (align) नहीं होते हैं, तो पूरी संरचना ढह सकती है या काम करना बंद कर सकती है। साथ ही, परतों को बिजली उत्पादन के मामले में भी पूरी तरह से मेल खाना पड़ता है, जो निर्माताओं के लिए एक बड़ी सिरदर्दी है।
नया विचार: RAINBOW दृष्टिकोण
सेलों को लंबवत (vertically) एक के ऊपर एक रखने के बजाय, शोधकर्ताओं ने उन्हें फर्श पर लगी टाइलों की तरह बगल में (side-by-side) बिछाया। वे सूर्य के प्रकाश को एक प्रिज्म की तरह विभाजित करने के लिए एक विशेष ऑप्टिकल दर्पण ("ऑप्टिकल एलिमेंट") का उपयोग करते हैं, जिससे प्रकाश के अलग-अलग रंग अलग-अलग टाइलों पर जाते हैं।
- नीला प्रकाश (Blue light) "ब्लू टाइल" के पास जाता है।
- हरा प्रकाश (Green light) "ग्रीन टाइल" के पास जाता है।
- लाल प्रकाश (Red light) "रेड टाइल" के पास जाता है।
चूंकि वे अगल-बगल में हैं, इसलिए उन्हें बिल्कुल सटीक रूप से एक के ऊपर एक रखने की आवश्यकता नहीं है, और न ही उन्हें अपने विद्युत उत्पादन को बिल्कुल समान रखने की आवश्यकता है। यह उन्हें ब्लेड कोटिंग (blade coating) जैसे बड़े, स्केलेबल उपकरणों का उपयोग करके बनाना बहुत आसान बनाता है।
गायब कड़ी: "टर्नरी" मिश्रण (Ternary Blend)
टीम ने पाया कि जबकि "ब्लू" और "ग्रीन" टाइलें अच्छी तरह से काम कर रही थीं, "रेड टाइल" (जो सबसे कम ऊर्जा वाले, दूर-अवरक्त/far-infrared प्रकाश को पकड़ती है) संघर्ष कर रही थी। यह नीचे छेद वाली बाल्टी की तरह था; यह पानी तो पकड़ सकती थी, लेकिन इसमें ऊर्जा का बहुत रिसाव हो रहा था।
इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने रेड टाइल के लिए केवल एक सामग्री का उपयोग नहीं किया। उन्होंने एक टर्नरी ब्लेंड (Ternary Blend) बनाया।
एक बाइनरी ब्लेंड (binary blend) को केवल दो फलों (दाता और ग्राही/Donor and Acceptor) के स्मूदी की तरह समझें। एक टर्नरी ब्लेंड इसमें तीसरा फल जोड़ देता है।
- उन्होंने अपनी संघर्ष करती हुई रेड सामग्री में एक तीसरा घटक मिलाया।
- यह तीसरा घटक एक "पुल" या "सहायक" की तरह काम करता है। यह बिजली के प्रवाह को बेहतर बनाने में मदद करता है और ऊर्जा के रिसाव को रोकता है।
- विशेष रूप से, उन्होंने COTIC-4F (मुख्य पकड़ने वाला पदार्थ) के साथ BTP-eC9 (सहायक) को मिलाया।
इस नए तीन-भाग वाले मिश्रण ने न केवल समान मात्रा में प्रकाश को पकड़ा, बल्कि इसने इसे अधिक कुशलता से पकड़ा, जिससे उस प्रकाश को अधिक बिजली में बदला गया।
परिणाम: एक बेहतर पकड़
टीम ने इस विचार का परीक्षण दो तरीकों से किया:
- कंप्यूटर सिमुलेशन: उन्होंने मॉडल किया कि क्या होगा यदि वे इन टाइलों को मिला दें। उन्होंने पाया कि एक 2-जंक्शन प्रणाली (ब्लू + रेड) 16.4% दक्षता तक पहुँच सकती है, और एक 3-जंक्शन प्रणाली (ब्लू + ग्रीन + रेड) 17.7% तक पहुँच सकती है।
- वास्तविक दुनिया के परीक्षण: उन्होंने वास्तव में अपनी ब्लेड-कोटिंग विधि का उपयोग करके इन अगल-बगल वाले उपकरणों को बनाया। परिणाम सिमुलेशन के बहुत करीब थे:
- 2-जंक्शन डिवाइस: 15.9% दक्षता।
- 3-जंक्शन डिवाइस: 17.3% दक्षता।
यह उनके एकल-सामग्री वाले उपकरणों से एक बड़ी छलांग है, जो केवल लगभग 12.9% तक ही पहुँच पाते थे।
भविष्य का दृष्टिकोण
शोध पत्र यह निष्कर्ष निकालता है कि यह "RAINBOW" डिज़ाइन ऑर्गेनिक सौर सेल को अधिक कुशल बनाने का एक बहुत ही आशाजनक और स्केलेबल तरीका है। हालांकि, वे यह भी नोट करते हैं कि दक्षता को और अधिक बढ़ाने के लिए, उन्हें ऐसी सामग्रियां खोजने की आवश्यकता है जो बहुत उच्च-ऊर्जा (वाइड बैंडगैप) वाले नीले प्रकाश को पकड़ने में वास्तव में अच्छी हों। वर्तमान में, वे सामग्रियां लाल और हरे रंग की सामग्रियों जितनी अच्छी नहीं हैं।
संक्षेप में: सौर सेलों को एक के ऊपर एक रखने के बजाय अगल-बगल रखने और लाल-प्रकाश पकड़ने वाली सामग्री में "तीसरा घटक" मिलाकर (जिससे उसके रिसाव को रोका जा सके), टीम ने एक ऐसा सौर सेल डिज़ाइन तैयार किया है जिसे बनाना आसान है और जो सूर्य से काफी अधिक ऊर्जा पकड़ता है।
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