Screen-Printed Carbon/TiO2 Counter Electrodes for Indoor Dye-Sensitized Solar Cells Using TiO2 -Inorganic Binders Prepared via Polyvinylpyrrolidone-Assisted Sol-Gel Synthesis
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि पीवीपी-सहायता प्राप्त सोल-जेल टीओ₂ (TiO₂) अकार्बनिक बाइंडर्स का उपयोग करने वाले स्क्रीन-प्रिंटेड कार्बन काउंटर इलेक्ट्रोड, बेहतर यांत्रिक स्थिरता, कम शीट प्रतिरोध और उन्नत चार्ज ट्रांसफर के कारण इंडोर डाई-सेंसिटाइज्ड सोलर सेल्स में पारंपरिक एथिल सेलुलोज-आधारित और प्लैटिनम संदर्भों से बेहतर प्रदर्शन करते हैं, जिससे 1000 लक्स पर 18.94% तक की पावर कन्वर्जन दक्षता प्राप्त होती है।
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हमारे आधुनिक जीवन के शांत कोनों में, वायरलेस सेंसर और स्मार्ट उपकरणों का एक विशाल नेटवर्क बढ़ रहा है, जिसमें से प्रत्येक को भारी बैटरी के बोझ के बिना संचालित होने के लिए एक छोटे, टिकाऊ ऊर्जा स्रोत की आवश्यकता है। जबकि सूर्य एक शक्तिशाली ऊर्जा स्रोत है, हमारे घरों और कार्यालयों के भीतर का प्रकाश बहुत मंद होता है, जिसके लिए इसे कुशलतापूर्वक संचित करने हेतु एक अलग प्रकार के सौर सेल की आवश्यकता होती है। इस इनडोर भूमिका के लिए प्रतिस्पर्धा कर रही तकनीकों के बीच, डाई-सेंसिटाइज्ड सोलर सेल्स (dye-sensitized solar cells) एक आशाजनक विकल्प के रूप में उभरे हैं। ये उपकरण प्रकाश को पकड़ने और बिजली उत्पन्न करने के लिए एक विशेष डाई का उपयोग करके कार्य करते हैं, लेकिन वे विद्युत परिपथ को पूरा करने के लिए काउंटर इलेक्ट्रोड नामक एक महत्वपूर्ण घटक पर निर्भर करते हैं। पारंपरिक रूप से, वैज्ञानिकों ने इस काम के लिए प्लैटिनम का उपयोग किया है क्योंकि यह सेल को चालू रखने के लिए आवश्यक रासायनिक प्रतिक्रियाओं को सुगम बनाने में उत्कृष्ट है। हालांकि, प्लैटिनम महंगा है और जंग लगने के प्रति संवेदनशील है, जो इसे बड़े पैमाने पर उत्पादित, कम लागत वाले उपकरणों के लिए एक खराब विकल्प बनाता है। शोधकर्ता लंबे समय से एक सस्ते विकल्प की तलाश में रहे हैं, और अक्सर ग्रेफाइट और कार्बन ब्लैक जैसी कार्बन सामग्रियों की ओर मुड़े हैं। फिर भी, इन कार्बन सामग्रियों को सतह पर प्रिंट करना कठिन साबित हुआ है; इन परतों में अक्सर आवश्यक मजबूती की कमी होती है या वे प्लैटिनम के प्रदर्शन से मेल खाने के लिए पर्याप्त कुशलता से बिजली का संचालन करने में विफल रहती हैं।
स्लोवाकिया और इटली के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समस्या को हल करने के लिए एक नया तरीका विकसित किया है, जिससे एक कार्बन-आधारित काउंटर इलेक्ट्रोड बनाया गया है जो न केवल प्रदर्शन में प्लैटिनम का मुकाबला करता है, बल्कि सामान्य इनडोर प्रकाश व्यवस्था के तहत उससे बेहतर भी प्रदर्शन करता है। वैज्ञानिकों ने प्रिंट की गई परत में कार्बन कणों को एक साथ जोड़ने वाले "गोंद" पर ध्यान केंद्रित किया। मानक विधियों में कार्बन को बांधने के लिए ऑर्गेनिक पॉलिमर का उपयोग किया जाता है, जो अनिवार्य रूप से प्लास्टिक जैसे पदार्थ होते हैं। हालांकि ये बाइंडर स्याही को कांच से चिपकाने में मदद करते हैं, वे इंसुलेटर (कुचालक) के रूप में कार्य करते हैं, जो बिजली के प्रवाह को रोकते हैं और रासायनिक प्रतिक्रियाओं में बाधा डालते हैं। इस बाधा को दूर करने के लिए, टीम ने ऑर्गेनिक गोंद को टाइटेनियम डाइऑक्साइड से बने एक इनऑर्गेनिक बाइंडर से बदल दिया, जो एक ऐसी सामग्री है जो सफेद पेंट और सनस्क्रीन में आमतौर पर पाई जाती है। उन्होंने इस बाइंडर को 'सोल-जेल' प्रक्रिया का उपयोग करके बनाया, जो एक रासायनिक तकनीक है जो तरल समाधान को नैनोकणों के ठोस नेटवर्क में बदल देती है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह नई इनऑर्गेनिक स्याही सुचारू रूप से प्रिंट हो सके और अपना आकार बनाए रखे, उन्होंने पॉलीविनाइलपायरोलिडोन (PVP) नामक एक विशिष्ट पॉलिमर जोड़ा, जो मिश्रण के प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए एक स्टेबलाइजर के रूप में कार्य करता है।
शोधकर्ताओं ने इस नई स्याही के कई संस्करणों का परीक्षण किया, जिसमें उन्होंने प्रिंट करने की क्षमता और विद्युत प्रदर्शन के बीच सही संतुलन खोजने के लिए PVP की मात्रा को बदला। उन्होंने पाया कि स्याही इतनी गाढ़ी होनी चाहिए कि महीन मेश स्क्रीन के माध्यम से प्रिंट होने पर अपना आकार बनाए रखे, फिर भी दबाव के तहत आसानी से बहने के लिए पर्याप्त तरल होनी चाहिए। आदर्श मिश्रण में PVP की एक विशिष्ट सांद्रता थी, जिसने टीम को स्पष्ट किनारों के साथ अत्यंत महीन रेखाएं प्रिंट करने की अनुमति दी, जो कि पुराने, प्लास्टिक-आधारित स्याही के साथ प्राप्त करना कठिन था। प्रिंट होने के बाद, परतों को उच्च तापमान पर गर्म किया गया, एक ऐसी प्रक्रिया जिसने जैविक घटकों को जला दिया और एक ठोस, छिद्रपूर्ण संरचना पीछे छोड़ दी जहाँ कार्बन कण टाइटेनियम डाइऑक्साइड के नेटवर्क द्वारा मजबूती से जुड़े हुए थे। यह नई संरचना यांत्रिक रूप से मजबूत थी, जो कांच के आधार से बिना उखड़े मजबूती से चिपकी रही, और इसने पिछले कार्बन-केवल संस्करणों की तुलना में बिजली का बहुत बेहतर संचालन किया।
जब टीम ने इन नए काउंटर इलेक्ट्रोड्स का उपयोग करके पूर्ण सौर सेल बनाए और उन्हें इनडोर LED लाइटिंग के तहत टेस्ट किया, तो परिणाम चौंकाने वाले थे। 1000 लक्स की प्रकाश तीव्रता पर, जो एक अच्छी तरह से प्रकाशित कार्यालय या एक उज्ज्वल लिविंग रूम के समान है, नए कार्बन-आधारित सेल ने 18.94 प्रतिशत की दक्षता हासिल की। यह प्रदर्शन मानक प्लैटिनम-आधारित सेल से अधिक था, जो समान परिस्थितियों में 18.11 प्रतिशत तक पहुँचा था। 200 लक्स के निम्न प्रकाश स्तर पर भी, जो एक कम रोशनी वाले गलियारे के समान है, नए सेल ने 15.41 प्रतिशत की दक्षता बनाए रखी, जिसने फिर से प्लैटिनम संदर्भ को पीछे छोड़ दिया। इस दृष्टिकोण की सफलता सामग्रियों के अनूठे संयोजन में निहित है: कार्बन आवश्यक सतह क्षेत्र प्रदान करता है, जबकि टाइटेनियम डाइऑक्साइड बाइंडर कणों को जोड़ता है और परत को स्थिर करता है, वह भी पारंपरिक ऑर्गेनिक गोंद की कुचालक बाधा के बिना। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि साधारण प्रिंटिंग तकनीकों और प्रचुर मात्रा में उपलब्ध सामग्रियों का उपयोग करके इनडोर उपयोग के लिए उच्च-प्रदर्शन, कम लागत वाले सौर सेल बनाना संभव है, जो महंगे धातुओं या डिस्पोजेबल बैटरी पर निर्भर किए बिना अगली पीढ़ी के वायरलेस इलेक्ट्रॉनिक्स को शक्ति देने का एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है।
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