Modeling efficiency penalties of narrow-bandgap perovskites in Si-based tandem solar cells: Incorporating luminescent coupling at non-ideal absorption
यह अध्ययन ल्यूमिनसेंट कपलिंग को शामिल करते हुए एक विस्तृत बैलेंस मॉडल प्रस्तुत करता है जो यह प्रदर्शित करता है कि नैरो-बैंडगैप पेरोव्स्काइट्स (~1.57 eV) अनुकूल बैंडगैप समकक्षों की तुलना में सिलिकॉन-आधारित टैंडम सौर कोशिकाओं में आश्चर्यजनक रूप से कम दक्षता दंड (efficiency penalties) का सामना करते हैं, जो स्थिरता और सामग्री की बचत में महत्वपूर्ण लाभ के कारण उनकी संभावित प्रासंगिकता के कम अनुमानित होने का सुझाव देता है।
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सौर सेल नवीकरणीय ऊर्जा परिवर्तन के कार्यवाहक हैं, जो सूर्य के प्रकाश को सीधे बिजली में बदलते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि एक एकल परत वाला पदार्थ सूर्य के प्रकाश की पूरी ऊर्जा को कुशलतापूर्वक कैप्चर नहीं कर सकता; प्रकाश के कुछ रंग सीधे पार निकल जाते हैं, जबकि अन्य बहुत जल्दी अवशोषित हो जाते हैं, जिससे उनकी ऊर्जा ऊष्मा के रूप में नष्ट हो जाती है। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ता दो अलग-अलग प्रकार के सौर सेल को एक के ऊपर एक रखते हैं, जिससे एक टैंडम (tandem) डिवाइस बनता है। ऊपरी परत को उच्च-ऊर्जा वाली नीली रोशनी को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जबकि निचली सिलिकॉन परत के नीचे से गुजरने वाली कम-ऊर्जा वाली लाल रोशनी को नीचे जाने दिया जाता है ताकि उसे संचित किया जा सके। इस जोड़ी में एकल-परत वाले सेल की तुलना में सौर दक्षता को बहुत आगे बढ़ाने की क्षमता है। हालाँकि, उस ऊपरी परत के लिए सही सामग्री खोजना एक नाजुक संतुलन का काम है। यदि ऊपरी परत को गलत रंगों की सीमा के लिए ट्यून किया जाता है, तो यह निचली परत द्वारा संभालने के लिए बहुत अधिक बिजली उत्पन्न कर सकती है, या यह इतनी मोटी हो सकती है कि डिवाइस महंगा और अस्थिर हो जाए।
लाइबनीज़ यूनिवर्सिटी हानोवर और इंस्टीट्यूट फॉर सोलर एनर्जी रिसर्च हैमेलिन के एक शोधकर्ता ने इन स्टैक्ड सेल को मॉडल करने का एक नया तरीका विकसित किया है ताकि यह देखा जा सके कि क्या एक थोड़ा अलग सामग्री विकल्प वास्तव में वर्तमान पसंदीदा विकल्प से बेहतर हो सकता है। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार की सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया जिसे पेरोव्स्काइट (perovskite) कहा जाता है, जो एक क्रिस्टल संरचना है जिसे प्रकाश के विभिन्न रंगों को अवशोषित करने के लिए ट्यून किया जा सकता है। जबकि वैज्ञानिक समुदाय आम तौर पर इस बात पर सहमत रहा है कि अधिकतम शक्ति के लिए आदर्श ऊपरी परत का बैंड गैप लगभग 1.7 इलेक्ट्रॉन वोल्ट होना चाहिए, शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि क्या होता है यदि सामग्री थोड़ी अलग हो, जिसका बैंड गैप 1.57 इलेक्ट्रॉन वोल्ट हो। यह संकरा अंतराल (narrower gap) का अर्थ है कि सामग्री सौर स्पेक्ट्रम के अधिक हिस्से को अवशोषित करती है, लेकिन यह ऊर्जा का एक अधिशेष भी पैदा करती है जिसे प्रबंधित करने की आवश्यकता होती है। उनके अध्ययन की कुंजी एक घटना थी जिसे ल्यूमिनेसेंट कपलिंग (luminescent coupling) कहा जाता है, एक ऐसी प्रक्रिया जहाँ ऊपरी सेल, प्रकाश अवशोषित करने के बाद, उस ऊर्जा का कुछ हिस्सा प्रकाश के रूप में पुन: उत्सर्जित करता है जो फिर से उपयोग के लिए नीचे की सिलिकॉन सेल में यात्रा करता है।
मौलिक भौतिकी पर आधारित एक विस्तृत कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करते हुए, शोधकर्ता ने सिम्युलेट किया कि ये टैंडम सेल मानक सूर्य के प्रकाश के तहत कैसे व्यवहार करते हैं। उन्होंने डिवाइस के माध्यम से प्रकाश के उछलने और यात्रा करने के विवरणों को नजरअंदाज करने वाले सरलीकृत अनुमानों पर निर्भर रहने के बजाय, ऊपरी परत की मोटाई और प्रकाश के परावर्तन और यात्रा को भी शामिल किया। उनके सिमुलेशन ने एक आश्चर्यजनक परिणाम दिखाया: संकीर्ण-गैप वाली सामग्री का उपयोग करने पर दक्षता का नुकसान पहले की तुलना में बहुत कम है। जब ऊपरी सेल को आदर्श 1.7 इलेक्ट्रॉन वोल्ट के लिए ट्यून किया जाता है, तो डिवाइस लगभग 41.8 प्रतिशत की शिखर दक्षता तक पहुँचता है। जब ऊपरी सेल को संकीर्ण-गैप वाली सामग्री से बनाया जाता है, तो दक्षता गिरकर लगभग 39.9 प्रतिशत हो जाती है। यह लगभग केवल 5 प्रतिशत की सापेक्ष हानि का प्रतिनिधित्व करता है। सौर ऊर्जा की दुनिया में, जहाँ प्रत्येक अंश प्रतिशत के लिए कड़ा संघर्ष होता है, यह एक उल्लेखनीय रूप से छोटा मूल्य है।
इस छोटी सी हानि का महत्व सामग्रियों की आवश्यक मोटाई में निहित है। आदर्श 1.7 इलेक्ट्रॉन-वोल्ट सामग्री के साथ उस शिखर दक्षता तक पहुँचने के लिए, ऊपरी परत को काफी मोटा, लगभग 1500 नैनोमीटर होना चाहिए। हालाँकि, शोधकर्ता ने पाया कि संकीर्ण-गैप वाली सामग्री केवल 733 नैनोमीटर की मोटाई पर अपने सर्वोत्तम प्रदर्शन तक पहुँचती है। इसका अर्थ है कि सैद्धांतिक दक्षता में मामूली गिरावट स्वीकार करके, निर्माता ऊपरी सेल के लिए आवश्यक सामग्री की मात्रा को आधे से अधिक कम कर सकते हैं। यह कमी केवल कच्चे माल की बचत के बारे में नहीं है; यह विनिर्माण प्रक्रिया को भी तेज करती है, क्योंकि पतली परतों को जमा करने में कम समय लगता है, और यह प्रत्येक वर्ग मीटर पैनल में मौजूद जहरीले लेड (lead) की मात्रा को भी कम करता है।
अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि ये निष्कर्ष विभिन्न कॉन्फ़िगरेशन में कैसे टिकते हैं। एक सेटअप में जहाँ दो सेल एक ही सर्किट में विद्युत रूप से जुड़े होते हैं, वहाँ 5 प्रतिशत की पेनल्टी (penalty) स्थिर रहती है। हालाँकि, यदि सेल अलग-अलग वायर किए गए हों, जिससे वे स्वतंत्र रूप से संचालित हो सकें, तो दक्षता का अंतर घटकर केवल 2 प्रतिशत रह जाता है। यह सुझाव देता है कि संकीर्ण-गैप वाली सामग्री अत्यधिक बहुमुखी है। शोधकर्ता ने उल्लेख किया कि जबकि आदर्श गैप वाली सामग्री सैद्धांतिक अधिकतम है, संकीर्ण-गैप वाला विकल्प एक आकर्षक समझौता (trade-off) प्रदान करता है। यदि संकीर्ण-गैप वाली सामग्री समय के साथ अधिक स्थिर या उत्पादन में सस्ती साबित होती है, तो यह अंततः सैद्धांतिक रूप से पूर्ण लेकिन अधिक नाजुक विकल्प की तुलना में सौर फार्म के जीवनकाल में अधिक बिजली प्रदान कर सकती है।
परतों के बीच प्रकाश कैसे चलता है और जुड़ता है, इसकी कठोर गणना करके, यह कार्य इस धारणा को चुनौती देता है कि इष्टतम बैंड गैप ही एकमात्र मार्ग है। यह सुझाव देता है कि संकीर्ण-गैप वाला पेरोव्स्काइट, जिसे आदर्श के पक्ष में कुछ हद तक अनदेखा किया गया था, वास्तविक दुनिया के सौर पैनलों के लिए एक अधिक व्यावहारिक विकल्प हो सकता है। ये निष्कर्ष एक डेटा-संचालित तरीका प्रदान करते हैं जिससे कच्चे प्रदर्शन और व्यावहारिकता जैसे कारकों के बीच संतुलन बनाया जा सके। सौर ऊर्जा के भविष्य के लिए, इसका अर्थ है कि पूर्ण सौर सेल की खोज के लिए केवल एक सैद्धांतिक संख्या के पीछे भागने की आवश्यकता नहीं है, बल्कि प्रदर्शन और व्यावहारिकता के बीच सही संतुलन खोजने की आवश्यकता है।
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